Một số phương pháp vật lý nghiên cứu cấu trúc phân tử

Khóa luận tốt nghiệp

GVHD : Th.S Trần Thị Hồng

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
KHOA VẬT LÝ
----------------

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
NGÀNH SƯ PHẠM VẬT LÝ
Đề tài:

MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP VẬT LÝ NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC
PHÂN TỬ
Người hướng dẫn:

ThS. Trần Thị Hồng
Người thực hiện:

Trương Thị Hồng Vân

Đà Nẵng, tháng 5/2013
SVTH: Trương Thị Hồng Vân

Trang 1


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD : Th.S Trần Thị Hồng

MỤC LỤC

PHẦN MỞ ĐẦU ................................................................................................................. 1
1. Lý do chọn đề tài ............................................................................................................. 1
2. Mục đích của đề tài.......................................................................................................... 2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ................................................................................... 2
4. Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài ...................................................................................... 2
5. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................................. 2
6. Đóng góp của đề tài ......................................................................................................... 2
7. Cấu trúc đề tài .................................................................................................................. 3
PHẦN NỘI DUNG .............................................................................................................. 4
CHƯƠNG I: LÝ THUYẾT CHUNG VỀ PHƯƠNG PHÁP PHỔ PHÂN TỬ ................... 4
1.1. Các đơn vị năng lượng và phương pháp phổ phân tử .................................................. 4
1.1.1. Các đơn vị năng lượng ......................................................................................... 4
1.1.2. Vùng phổ và phương pháp phổ nghiệm ............................................................... 5
1.1.2.1. Vùng phổ ..................................................................................................... 5
1.1.2.2. Phương pháp phổ nghiệm ............................................................................ 6
1.2. Trạng thái năng lượng phân tử và hiện tượng hấp thụ bức xạ điện từ ......................... 6
1.2.1. Trạng thái năng lượng phân tử ............................................................................. 6
1.2.2. Hiện tượng hấp thụ bức xạ điện từ....................................................................... 7
1.2.3. Nguồn gốc một số loại phổ .................................................................................. 8
1.3. Quy tắc lựa chọn trong phổ phân tử ............................................................................. 9
1.3.1. Xác suất chuyển dời ............................................................................................. 9
1.3.2. Quy tắc lựa chọn .................................................................................................. 9
1.4. Cấu trúc đám phổ phân tử .......................................................................................... 10
CHƯƠNG II: PHƯƠNG PHÁP PHỔ DAO ĐỘNG VÀ PHỔ QUAY ............................ 11
2.1. Phương pháp phổ quay ............................................................................................... 11
2.1.1. Phổ quay của phân tử hai nguyên tử .................................................................. 11
2.1.1.1. Các mức năng lượng quay ......................................................................... 11
2.1.1.2. Phổ quay của phân tử hai nguyên tử ......................................................... 13

2.1.2. Phổ quay của phân tử nhiều nguyên tử .............................................................. 15
SVTH: Trương Thị Hồng Vân

Trang 2


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD : Th.S Trần Thị Hồng

2.1.2.1. Moment quán tính và phân loại quay tử .................................................... 15
2.1.2.2. Phổ quay của phân tử nhiều nguyên tử ..................................................... 16
2.1.3. Ứng dụng phổ quay ............................................................................................ 17
2.2. Phương pháp phổ dao động ........................................................................................ 18
2.2.1. Phổ dao động của phân tử hai nguyên tử ........................................................... 18
2.2.1.1. Mẫu dao động tử điều hòa ......................................................................... 19
2.2.1.2. Mẫu dao động tử khơng điều hịa .............................................................. 21
2.2.1.3. Phổ dao động – quay ................................................................................ 23
2.2.2. Phổ dao động của phân tử nhiều nguyên tử ....................................................... 24
2.3. Ứng dụng phổ hồng ngoại .......................................................................................... 26
2.3.1. Đồng nhất các chất ............................................................................................. 26
2.3.2. Xác định cấu trúc phân tử .................................................................................. 26
2.3.2.1. Các tần số đặc trưng của hợp chất hữu cơ hydrocacbon ........................... 26
2.3.2.2. Các hợp chất hữu cơ với các nhóm chức khác nhau ................................. 28
2.3.3. Phân tích định lượng .......................................................................................... 29
2.3.4. Nghiên cứu động học phân tử ............................................................................ 30
2.3.5. Xác định độ tinh khiết ........................................................................................ 30
CHƯƠNG III: PHƯƠNG PHÁP PHỔ ĐIỆN TỬ ............................................................ 31
3.1. Cơ sở lý thuyết của sự tạo thành phổ điện tử ............................................................. 31
3.2. Phân loại các trạng thái điện tử .................................................................................. 33

3.2.1. Moment động lượng quỹ đạo ............................................................................. 33
3.2.2. Moment spin ...................................................................................................... 33
3.2.3. Moment động lượng toàn phần .......................................................................... 34
3.2.4. Số hạng phân tử.................................................................................................. 34
3.3. Lớp vỏ điện tử của phân tử ......................................................................................... 35
3.4. Quy tắc lựa chọn của chuyển dời điện tử ................................................................... 37
3.4.1. Quy tắc chuyển dời điện tử ................................................................................ 37
3.4.2. Các đám dao động của đám hấp thụ điện tử ...................................................... 38
3.5. Trạng thái điện tử và phổ điện tử của phân tử nhiều nguyên tử ................................. 41
3.5.1. Phân loại các trạng thái điện tử .......................................................................... 41
SVTH: Trương Thị Hồng Vân

Trang 3


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD : Th.S Trần Thị Hồng

3.5.2. Phổ điện tử của phân tử nhiều nguyên tử........................................................... 41
3.6. Cấu trúc hóa học và phổ điện tử của phân tử ............................................................. 44
3.6.1. Phổ điện tử của các hợp chất hữu cơ ................................................................. 44
3.6.1.1. Nhóm mang màu và các hiệu ứng chuyển dịch......................................... 44
3.6.1.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến cực đại hấp thụ ............................................... 46
3.6.1.3. Phổ điện tử các hợp chất không liên hợp .................................................. 46
3.6.1.4. Phổ điện tử các hợp chất liên hợp ............................................................. 48
3.6.2. Phổ điện tử của các hợp chất vô cơ.................................................................... 50
3.7. Ứng dụng của phổ điện tử .......................................................................................... 50
CHƯƠNG IV. PHƯƠNG PHÁP PHỔ TÁN XẠ TỔ HỢP .............................................. 52
4.1. Hiện tượng tán xạ tổ hợp ............................................................................................ 52

4.2. Lý thuyết cổ điển về hiện tượng tán xạ tổ hợp ........................................................... 53
4.3. Lý thuyết lượng tử về hiện tượng tán xạ tổ hợp ......................................................... 55
4.4. Quy tắc lựa chọn của phổ tán xạ tổ hợp ..................................................................... 57
4.4.1. Điều kiện xuất hiện phổ tán xạ tổ hợp ............................................................... 57
4.4.2. Quy tắc chọn lọc ................................................................................................ 57
4.5. Phổ tán xạ tổ hợp của phân tử nhiều nguyên tử ......................................................... 57
4.6. Ứng dụng của phương pháp phổ tán xạ tổ hợp .......................................................... 58
4.6.1. Phân tích định tính ............................................................................................. 58
4.6.2. Phân tích định lượng .......................................................................................... 58
4.6.3. Quang phổ FT – Raman ..................................................................................... 58
4.6.4. Một vài ứng dụng kĩ thuật FT – Raman ............................................................. 59
4.6.4.1. Phổ của Rhodamine (thuốc nhuộm) .......................................................... 59
4.6.4.2. Phân tích pháp y các thuốc cấm và chất nổ ............................................... 59
4.6.4.3. Trong công nghiệp sản xuất sơn ................................................................ 61
CHƯƠNG V. PHƯƠNG PHÁP PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ ........................................... 62
5.1. Phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân ................................................................. 62
5.1.1. Điều kiện cộng hưởng từ hạt nhân ..................................................................... 62
5.1.1.1. Spin hạt nhân ............................................................................................. 62
5.1.1.2. Moment từ hạt nhân .................................................................................. 62
SVTH: Trương Thị Hồng Vân

Trang 4


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD : Th.S Trần Thị Hồng

5.1.1.3. Trạng thái năng lượng của hạt nhân trong từ trường ................................ 63
5.1.1.4. Điều kiện cộng hưởng từ hạt nhân ............................................................ 63

5.1.2. Hiệu ứng hồi phục spin – spin ........................................................................... 65
5.1.3. Sự dịch chuyển hóa học ..................................................................................... 66
5.1.3.1. Khái niệm về sự dịch chuyển hóa học ....................................................... 66
5.1.3.2. Độ dịch chuyển hóa học ............................................................................ 66
5.1.4. Tín hiệu PMR và cấu tạo phân tử hợp chất hữu cơ ........................................... 67
5.1.4.1. Các proton tương đương ............................................................................ 67
5.1.4.2. Phổ PMR và cấu tạo phân tử ..................................................................... 68
5.1.4.3. Tương tác spin – spin và phổ PMR năng suất phân giải cao .................... 68
5.1.4.4. Cường độ tín hiệu phổ PMR ..................................................................... 70
5.1.5. Phổ 13C – NMR................................................................................................. 70
5.1.6. Ứng dụng phổ cộng hưởng từ hạt nhân ............................................................. 71
5.2. Phương pháp phổ cộng hưởng spin electron .............................................................. 72
5.2.1. Năng lượng cộng hưởng của electron ................................................................ 72
5.2.2. Cấu trúc của phổ ESR ........................................................................................ 73
5.2.3. Ứng dụng phương pháp phổ ESR ...................................................................... 74
CHƯƠNG VI. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP VẬT LÝ KHÁC .......................................... 75
6.1. Phương pháp phổ khối lượng ..................................................................................... 75
6.1.1. Cơ sở lý thuyết ................................................................................................... 75
6.1.2. Phân loại các ion ................................................................................................ 76
6.1.2.1. Ion phân tử ................................................................................................. 76
6.1.2.2. Ion đồng vị................................................................................................. 76
6.1.2.3. Ion mảnh .................................................................................................... 77
6.1.3. Ứng dụng phổ khối lượng .................................................................................. 77
6.2. Phương pháp nhiễu xạ tia X ....................................................................................... 81
6.2.1. Cơ sở lý thuyết ................................................................................................... 81
6.2.1.1. Hiện tượng nhiễu xạ tia X ......................................................................... 81
6.2.1.2. Điều kiện nhiễu xạ của Vulf – Bragg ........................................................ 81
6.2.1.3. Cường độ nhiễu xạ .................................................................................... 82
SVTH: Trương Thị Hồng Vân

Trang 5


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD : Th.S Trần Thị Hồng

6.2.1.4. Các phương pháp phân tích tinh thể bằng nhiễu xạ tia X ......................... 83
6.2.2. Ứng dụng phương pháp nhiễu xạ tia X .............................................................. 84
6.2.2.1. Định tính .................................................................................................... 84
6.2.2.2. Định lượng ................................................................................................. 85
6.2.2.3. Phân tích cấu trúc pha ............................................................................... 85
6.2.2.4. Đặc trưng phổ nhiễu xạ tia X của một số vật liệu ..................................... 85
PHẦN KẾT LUẬN ........................................................................................................... 87
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 88

SVTH: Trương Thị Hồng Vân

Trang 6


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD : Th.S Trần Thị Hồng

DANH MỤC BẢNG
TT
Bảng 1.1
Bảng 1.2
Bảng 1.3

Bảng 2.1
Bảng 2.2
Bảng 3.1

TÊN BẢNG
TRANG
Sự liên hệ giữa các đơn vị
5
Các vùng phổ và nguồn gốc của nó
8
Quy tắc lựa chọn các loại phổ
9
Phân loại các quay tử
16
Giá trị hằng số quay của một số phân tử
18
Năng lượng và bước sóng của các bước chuyển dời năng
32
lượng
Bảng 3.2 Cực đại hấp thụ đặc trưng của các nhóm mang màu cơ lập
45
Bảng 3.3 Ảnh hưởng của nhóm thế trong C6H5X
46
Bảng 3.4 Các đặc trưng quang phổ của một số dien và polyen (dung
môi hexan)
Bảng 3.5 Hấp thụ UV sóng dài của một số dien
Bảng 3.6 Các đám hấp thụ đặc trưng của benzen
Bảng 5.1 Độ dịch chuyển hóa học vài loại proton
Bảng 5.2 Độ dịch chuyển hóa học của một số loại cacbon
Bảng 6.1 Khối lượng, thành phần của một số đồng vị bền của một số

nguyên tố thường gặp

SVTH: Trương Thị Hồng Vân

49
49
49
68
71
76

Trang 7


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD : Th.S Trần Thị Hồng

DANH MỤC HÌNH ẢNH
TT
Hình 1.1
Hình 1.2
Hình 1.3
Hình 2.1
Hình 2.2
Hình 2.3
Hình 2.4
Hình 2.5
Hình 2.6
Hình 2.7

Hình 2.8
Hình 2.9
Hình
2.10
Hình
2.11
Hình
2.12
Hình
2.13
Hình
2.14
Hình
2.15
Hình
2.16
Hình 3.1

TÊN HÌNH ẢNH
Thành phần điện trường và từ trường của bức xạ điện từ
Đơn vị năng lượng của các vùng khác của phổ sóng điện từ
Các mức năng lượng của phân tử hai nguyên tử
Quay tử rắn
Quay tử không rắn
Giản đồ các mức năng lượng quay
Phổ quay tử rắn
Trạng thái năng lượng cho dao động điều hòa
Dao động tử điều hòa
Đường cong thế năng của dao động khơng điều hịa
Phổ dao động tử khơng điều hịa

Các mức năng lượng dao động – quay
Phổ dao động – quay

TRANG
4
5
10
11
12
13
14
19
20
21
22
23
24

Các kiểu dao động của phân tử nước

25

Tần số đặc trưng cho dao động vài nhóm chức

26

Phổ hồng ngoại của 2 – metylbutan

27

Phổ hồng ngoại của 1 – hexene

28

Phổ hồng ngoại của toluen

28

Phổ hồng ngoại của 1 – hexanol

29

Sơ đồ các mức năng lượng và các bước chuyển năng lượng
trong phổ điện tử
Hình 3.2a Trường hợp re’ = re
Hình
Trường hợp re’ > re
3.2b
Hình 3.2c Trường hợp lực liên kết ở trạng thái kích thích giảm mạnh
Hình
Các bước chuyển dời xuất phát từ trạngthái v≠ 0
3.2d
Hình 3.3a Chuyển dời 𝜎 → 𝜎 *

32

Hình
Chuyển dời 𝜋 → 𝜋 *
3.3b
Hình 3.3c Chuyển dời n → 𝜋 *

43

SVTH: Trương Thị Hồng Vân

39
39
40
40
43

44

Trang 8


Khóa luận tốt nghiệp
Hình
3.3d
Hình 3.4
Hình 3.5
Hình 3.6
Hình 3.7
Hình 3.8
Hình 4.1
Hình 4.2
Hình 4.3
Hình 4.4
Hình 4.5
Hình 4.6

Hình 4.7
Hình 4.8
Hình 4.9
Hình 5.1
Hình 5.2
Hình 5.3
Hình 5.4
Hình 5.5
Hình 5.6
Hình 5.7
Hình 5.8
Hình 5.9
Hình
5.10
Hình
5.11
Hình
5.12
Hình
5.13
Hình 6.1
Hình 6.2
Hình 6.3
Hình 6.4
Hình 6.5
Hình 6.6
Hình 6.7

GVHD : Th.S Trần Thị Hồng

Chuyển dời n→𝜎 *

44

Bước sóng của một số màu sắc
Phổ của các phân tử chỉ có các điện tử 𝜎
Phổ điện tử của : 1. Etylen; 2. Propen; 3. 2 – metylpropen
Phổ điện tử của 1,3 butadien ( CH2= CH – CH = CH2 )
Phổ hấp thụ của benzen
Sự khác nhau về cơ chế giữa phổ Raman và IR
Sự tán xạ Rayleigh, Raman Stock; Raman AntiStock
Sự chuyển dời các mức năng lượng
Dao động của phân tử thẳng hàng YX2
Phổ FT – Raman của Rhodamine 6G
Phổ FT – Raman của các alkaloit tinh khiết
Phổ FT – Raman của Semtex và RDX
Phổ Raman trong phân tích chất béo dùng cho y học
Phổ FT-Raman của các monome:(a) BA,(b) MMA, (c)
AMA.
Khả năng định hướng của spin hạt nhân 𝑃⃗
1
Sơ đồ phân bố mức năng lượng của hạt nhân có I = trong
2
từ trường.
Tác dụng của từ trường B1 lên hạt nhân
Hồi phục spin – mạng lưới và hồi phục spin – spin
Độ rộng tín hiệu NMR
Tín hiệu cộng hưởng từ của rượu etylic
Hằng số spin – spin
Cách tính hằng số ghép

Sự ghép cặp H trong phân tử 2’-hydroy4,4’dimetoxychalcon
Phổ cộng hưởng từ nhân proton của etanol

44
47
47
48
50
53
54
56
58
59
60
60
61
61

Phổ cộng hưởng từ 13C của 2-clorobutan

70

Xác định cấu trúc phân tử C3H5O2Br

71

a) đường cong hấp thụ; b)đường cong đạo hàm

73

Chiều cao vạch phổ ion phân tử của hợp chất chứa clo, brom
Phổ khối lượng của n – butyl benzoat
Phổ khối lượng của benzyl alcohol
Phổ khối lượng của 2-chloropropane
Phổ khối lượng của phenol
Phổ khối lượng của hợp chất có cơng thức C7H8O.
Hiện tượng nhiễu xạ tia X trên mặt tinh thể

77
77
78
78
78
80
82

SVTH: Trương Thị Hồng Vân

63
64
64
65
66
68
69
69
69
70

Trang 9

Khóa luận tốt nghiệp
Hình 6.8

GVHD : Th.S Trần Thị Hồng

A. Một chùm tia X được hội tụ và chiếu lên mẫu vật;B. Phổ

83

nhiễu xạ
Hình 6.9

(a) : Phim đặt sau tinh thể để chụp tia X

83

(b) : Phim đặt trước tinh thể để chụp tia X
Hình
6.10
Hình
6.11
Hình
6.12
Hình
6.13
Hình
6.14

Phổ của NaCl với catot là Cu

84

Hình vẽ cấu tạo máy nhiễu xạ bột

84

Phổ XRD của kim loại Zn với bức xạ Cu

86

Phổ XRD của vật liệu canxit

86

Phổ XRD của vật liệu zeolit Li – ABW

86

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
VIẾT TẮT
IR
NMR
PMR
ESR
MS
FT - RAMAN

TỪ ĐƯỢC VIẾT TẮT

Infrared
Nuclear magnetic resonance
Proton magnetic resonance
Electron spin resonance
Mass spectroscopy
Fourier transform Raman

SVTH: Trương Thị Hồng Vân

Trang 10


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD : Th.S Trần Thị Hồng

PHẦN MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Ngày nay việc sử dụng các phương pháp vật lý chủ yếu là phương pháp quang
phổ để nghiên cứu cấu trúc phân tử đã trở nên rất phổ biến.Với sự phát triển không
ngừng của khoa học kỹ thuật, đặc biệt với sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật điện
tử, tin học đã xuất hiện các máy quang phổ và thiết bị phân tích có trình độ tự động
hóa cao, cho phép xác định nhanh chóng với độ chính xác cao các mẫu với hàm lượng
rất nhỏ của các chất chứa trong mẫu phân tích. Vì vậy, phương pháp vật lý đã trở
thành cơng cụ hữu hiệu để nghiên cứu cấu trúc phân tử các chất. Từ số liệu thực
nghiệm của các phương pháp vật lý các nhà nghiên cứu có thể thu được dữ liệu về cấu
trúc nội tại của phân tử cũng như tương tác giữa các phân tử nhờ đó có thể tìm hiểu
sâu thêm về bản chất vật chất.
Phương pháp quang phổ là phương pháp đo và phân tích bức xạ điện từ được
hấp thụ hoặc phát xạ khi các điện tử, phân tử, nguyên tử, ion ... trong mẫu đo dịch

chuyển từ một mức năng lượng cho phép này đến một mức năng lượng cho phép khác.
Ngày nay, các phương pháp quang phổ khơng chỉ ứng dụng trong phịng thí
nghiệm mà dần dần được sử dụng rộng rãi trong cả các lĩnh vực công nghiệp để kiểm
tra, đánh giá chất lượng sản phẩm, xác định các tính chất quan trọng trong chế tạo vật
liệu mới. Có thể nói phương pháp quang phổ ngày càng có nhiều ứng dụng rộng rãi và
cơ bản trong rất nhiều lĩnh vực.
Các phương pháp quang phổ phân tích, kiểm tra rất phong phú và đa dạng. Căn
cứ vào những hướng nghiên cứu cụ thể, người sử dụng có thể lựa chọn một hoặc một
vài phương pháp để áp dụng. Tuy nhiên trong phổ học, không có một phương pháp
nào là vạn năng cho nên người nghiên cứu đôi khi phải sử dụng rất nhiều phương pháp
khác nhau để tìm thơng tin mong muốn từ vật liệu. Đó chính là lý do tại sao các nhà
khoa học cũng như các nhà công nghệ phải biết nhiều phương pháp khác nhau.
Để góp phần nâng cao sự hiểu biết về các phương pháp vật lý tôi quyết định
chọn đề tài “Một số phương pháp vật lý nghiên cứu cấu trúc phân tử”
SVTH: Trương Thị Hồng Vân

Trang 11


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD : Th.S Trần Thị Hồng

2. MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI
Mục đích và u cầu cơ bản của đề tài là trình bày một cách khái quát nội dung
lý thuyết của một số phương pháp vật lý từ cơ sở lý thuyết chung của các phương pháp
vật lý đến nghiên cứu làm sáng tỏ từng phương pháp và những ứng dụng của chúng.
3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
+ Đối tượng nghiên cứu: các phương pháp vật lý gồm phương pháp phổ dao
động và quay, phương pháp phổ điện tử, phương pháp phổ tán xạ tổ hợp, phương pháp

cộng hưởng từ hạt nhân và một số phương pháp khác như phương pháp phổ khối,
phương pháp nhiễu xạ tia X.
+ Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết về nguồn gốc, nội dung cơ bản của
các phương pháp vật lý và những ứng dụng của từng phương pháp trong nghiên cứu
cấu trúc phân tử.
4. NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
+ Nghiên cứu tìm hiểu một số phương pháp vật lý
+ Tìm hiểu ứng dụng của một số phương pháp vật lý trong nghiên cứu cấu trúc
phân tử.
5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Để giải quyết nhiệm vụ của nghiên cứu đề tài tôi sử dụng các phương pháp
nghiên cứu : Thu thập tài liệu tham khảo, tiến hành đọc, phân tích, tổng hợp, hệ thống
hóa, khái qt hóa các nguồn tài liệu lý luận và thực tiễn có liên quan đến các phương
pháp vật lý và kết hợp với kiến thức về cấu trúc phân tử đã được học đồng thời trao
đổi, xin ý kiến đóng góp của giáo viên hướng dẫn và giáo viên khác.
6. ĐÓNG GÓP CỦA ĐỀ TÀI
- Việc nghiên cứu và tìm hiểu đề tài “ Một số phương pháp vật lý nghiên cứu
cấu trúc phân tử” góp phần cung cấp cho bạn đọc những kiến thức cơ bản về các
phương pháp vật lý và những ứng dụng thực tiễn của nó trong nghiên cứu cấu trúc
phân tử.
- Khóa luận có thể làm tài liệu học tập cho các bạn sinh viên khoa lý khi học
môn Cấu trúc phổ phân tử.
SVTH: Trương Thị Hồng Vân

Trang 12


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD : Th.S Trần Thị Hồng

- Khóa luận có thể làm tài liệu tham khảo cho các bạn sinh viên khoa hóa
7. CẤU TRÚC ĐỀ TÀI
PHẦN MỞ ĐẦU
PHẦN NỘI DUNG
Chương I : Lý thuyết chung về phương pháp phổ phân tử
Chương II : Phương pháp phổ dao động và phổ quay
Chương III : Phương pháp phổ điện tử
Chương IV : Phương pháp phổ tán xạ tổ hợp
Chương V : Phương pháp phổ cộng hưởng từ
Chương VI : Một số phương pháp vật lý khác
PHẦN KẾT LUẬN

SVTH: Trương Thị Hồng Vân

Trang 13


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD : Th.S Trần Thị Hồng

PHẦN NỘI DUNG
CHƯƠNG I : LÝ THUYẾT CHUNG VỀ PHƯƠNG PHÁP PHỔ PHÂN TỬ
1. 1. Các đơn vị năng lượng và phương pháp phổ phân tử
1.1.1. Các đơn vị năng lượng
Bức xạ điện từ bao gồm ánh sáng nhìn thấy, các tia tử ngoại, hồng ngoại, tia X,
tia 𝛾, sóng radio…có bản chất hai mặt vừa có tính chất sóng vừa có tính chất hạt.[3]
Theo tính chất sóng : bức xạ điện từ là những dao động có hai thành phần điện
trường và từ trường với dải tần rất rộng theo một phương, hai thành phần này vng

góc với nhau và vng góc với trục z.

Hình 1.1. Thành phần điện trường và từ trường của bức xạ điện từ
Chính thành phần vectơ điện trường tương tác với các nguyên tử hay phân tử
gây nên hiệu ứng quang phổ. Cường độ điện trường (E) tại thời điểm t được cho bởi :
E = E0cos2𝜋𝑣t

(1-1)

trong đó E0 là biên độ và 𝑣 là tần số của bức xạ.
Bức xạ điện từ được đặc trưng bởi các đại lượng :
a) Bước sóng 𝜆
* Vùng tử ngoại và thấy được : 𝜆 được biểu thị bằng ăng – strom 1A0 = 10-8cm;
micron 1𝜇 = 10-4cm; milimicron m𝜇 hoặc nanômét Nm, 1m𝜇 = 1Nm = 10-7cm.
* Vùng hồng ngoại : bước sóng được biểu thị bằng micron 1𝜇 = 10-4cm.
b) Tần số 𝑣 và số sóng 𝑣̃
𝑣=

Tần số:

𝑐
𝜆

(1-2)

trong đó c là vận tốc ánh sáng (c = 3.1010cm/s). Nếu 𝜆 tính theo cm thì thứ ngun của
𝑣 sẽ là [𝑣] =

𝑐 (𝑐𝑚.𝑠 −1 )
𝜆(𝑐𝑚)

= s-1. Đơn vị đo tần số là Hertz được kí hiệu là Hz.

SVTH: Trương Thị Hồng Vân

Trang 14


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD : Th.S Trần Thị Hồng

Trong quang phổ cịn dùng đại lượng số sóng 𝑣̃ là nghịch đảo của bước sóng
1/𝜆 để đo chiều dài của bước sóng (thường xuyên được dùng trong phổ dao động) :
𝑣̃ =

1
𝜆

(1-3)

Nếu 𝜆 tính theo cm thì thứ ngun của 𝑣̃ sẽ là 𝑣̃= 1/ 𝜆 = cm-1.
c) Năng lượng photon h𝑣.
Để đo năng lượng trong hệ thống nguyên tử, phân tử người ta cũng hay dùng
đơn vị eV, kcal/mol, cal/mol
Nếu năng lượng photon được biểu thị bằng eV (1eV = 1,6.10-19J) . Nhiệt độ
tuyệt đối T = h𝑣 /k (k = 1,38.10-23J/0C là hằng số Boltzaman) với đơn vị 0K là nhiệt độ
mà năng lượng photon h𝑣 có trị số bằng kT.
Sự liên hệ giữa các đơn vị theo bảng dưới đây :
Bảng 1.1. Sự liên hệ giữa các đơn vị

1.1.2. Vùng phổ và phương pháp phổ nghiệm
1.1.2.1. Vùng phổ
Bức xạ điện từ là những dao động có tần số trải rộng trong các miền sóng
radio, viba, ánh sáng quang học, tia X, tia 𝛾.
Khi tương tác với các phân tử có cấu trúc khác nhau thì các phân tử hấp thụ
hoặc phát xạ năng lượng khác nhau. Do đó tần số bức xạ của hệ nguyên tử cũng rất
khác nhau và được phân bố trong một dãy rộng sóng điện từ. Từ đó có thể chia thành
những vùng phổ khác nhau theo tính chất của bức xạ điện từ :

SVTH: Trương Thị Hồng Vân

Trang 15


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD : Th.S Trần Thị Hồng

Hình 1.2. Đơn vị năng lượng của các vùng khác của phổ sóng điện từ
1.1.2.2. Phương pháp phổ nghiệm
Kết quả của sự hấp thụ hay phát xạ năng lượng của phân tử chính là phổ, từ
phổ có thể xác định ngược lại cấu trúc phân tử. Đó là cơ sở của phương pháp phổ. Với
các vùng phổ khác nhau có những phương pháp phổ nghiệm khác nhau.
Trong giới hạn đề tài chỉ đề cập đến một số phương pháp vật lý:
- Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử ứng với miền ánh sáng quang học :
+ Phương pháp phổ quay và dao động : phương pháp quang phổ IR
+ Phương pháp phổ Raman
+ Phương pháp phổ điện tử
- Phương pháp phổ cộng hưởng từ

- Một số phương pháp khác: phổ khối và nhiễu xạ tia X
Mỗi phương pháp phổ có một ứng dụng riêng. Thông thường kết hợp các
phương pháp này với nhau để giải thích cấu tạo của một hợp chất.
1.2. Trạng thái năng lượng phân tử và hiện tượng hấp thụ bức xạ điện từ
1.2.1. Trạng thái năng lượng phân tử[2,3]
Phổ phân tử phức tạp hơn so với phổ nguyên tử là do chuyển động của các
thành phần tạo nên phân tử phức tạp hơn các chuyển động trong hệ nguyên tử.
Một phân tử dù đơn giản nhất cũng gồm các chuyển động sau đây:
 Chuyển động của điện tử : sự chuyển động của điện tử (điện tử hóa trị)
quanh hạt nhân, chuyển động của các điện tử ở gần một hạt nhân (điện
tử không tham gia tạo liên kết hóa học).
 Chuyển động dao động : sự biến đổi tuần hoàn sự phân bố tương đối của
các hạt nhân trong phân tử.
 Chuyển động quay : sự biến thiên tuần hoàn khả năng định hướng của
phân tử trong không gian.
Các loại chuyển động của phân tử xác định trạng thái năng lượng của phân tử.
Thep xấp xỉ Born – Oppenhimer năng lượng toàn phần Etf của phân tử có thể
biểu diễn bằng :

SVTH: Trương Thị Hồng Vân

Etf = Ee + Ev+ Ej

(1- 4)

Trang 16


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD : Th.S Trần Thị Hồng

trong đó: Etf : năng lượng toàn phần của hệ phân tử; Ee : năng lượng liên quan với
chuyển động điện tử (năng lượng điện tử); Ev : năng lượng liên quan với chuyển động
dao động (năng lượng dao động); Ej : năng lượng liên quan với chuyển động quay
(năng lượng quay).
Lý thuyết và thực nghiệm chứng minh trong hệ phân tử năng lượng điện tử Ee
lớn hơn năng lượng dao động Ev và năng lượng dao động Ev nói chung lớn hơn năng
lượng quay Ej và ta có:

Ee≫ Ev≫Ej

(1- 5)

1.2.2. Hiện tượng hấp thụ bức xạ điện từ[2]
Theo thuyết lượng tử thì các phân tử và bức xạ điện từ trao đổi năng lượng với
nhau khơng liên tục mà có tính chất gián đoạn. Khi phân tử hấp thụ hoặc bức xạ sẽ
làm thay đổi cường độ của bức xạ điện từ nhưng không làm thay đổi năng lượng của
bức xạ điện từ.
Khi các phân tử hấp thụ năng lượng từ bên ngồi có thể dẫn đến các q
trình thay đổi trong phân tử (quay, dao động, kích thích electron phân tử…) hoặc
trong nguyên tử (cộng hưởng spin electron, cộng hưởng từ hạt nhân).
Mỗi một q trình như vậy đều địi hỏi một năng lượng E > 0 nhất định
đặc trưng cho nó, nghĩa là địi hỏi bức xạ điện từ có một tần số riêng gọi là tần số
quay 𝑣𝑗 , tần số dao động 𝑣v và tần số kích thích điện tử 𝑣𝑒 .Vì thế khi chiếu một
chùm bức xạ điện từ với các tần số khác nhau vào vật chất thì các phân tử chỉ hấp
thụ được các bức xạ điện từ có tần số đúng bằng các tần số trên (𝑣j , 𝑣v và 𝑣j ) để
xảy ra các quá trình biến đổi trong phân tử như trên. Do sự hấp thụ chọn lọc này
mà khi chiếu chùm bức xạ điện từ với một dải tần số khác nhau đi qua mơi trường
vật chất thì sau khi đi qua, chùm bức xạ này sẽ bị mất đi một số bức xạ có tần số

xác định nghĩa là các bức xạ này đã bị phân tử hấp thụ.
Ở điều kiện bình thường các phân tử tồn tại ở trạng thái có mức năng lượng
thấp E0tf được gọi là trạng thái cơ bản của phân tử. Khi phân tử nhận năng lượng (ví
dụ phân tử hấp thụ bức xạ điện từ) phân tử có thể chuyển lên trạng thái có mức năng
lượng cao E*tf được gọi là mức năng lượng kích thích của phân tử.
Khi phân tử nhận bức xạ điện từ có năng lượng đủ lớn, phân tử có thể chuyển

SVTH: Trương Thị Hồng Vân

Trang 17


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD : Th.S Trần Thị Hồng

từ trạng thái năng lượng cơ bản E0tf lên trạng thái năng lượng cao E*tf.
Trong đó :

E0tf = E0e + E0v + E0j

(1- 6)

E*tf = E*e + E*v + E*j

(1- 7)

Sự thay đổi trạng thái phân tử từ trạng thái cơ bản sang trạng thái kích thích thì
biến thiên ∆E của năng lượng phân tử: ∆Etf = (E*e - E0e )+ (E*v - E0v )+ (E*j - E0j )
∆Etf = ∆Ee + ∆Ev + ∆Ej

(1-8)

trong đó: ∆Etf là bước chuyển năng lượng toàn phần; ∆Ee là bước chuyển năng lượng
điện tử; ∆Ev là bước chuyển năng lượng dao động; ∆Ej là bước chuyển năng
lượng quay.
Như vậy, do hiện tượng hấp thụ bức xạ điện từ của phân tử gây nên các bước
chuyển năng lượng điện tử, năng lượng dao động, năng lượng quay của phân tử là
nguồn gốc của các loại phổ hấp thụ phân tử.
Sự khác nhau về bậc năng lượng và sự tương tác giữa các dạng chuyển động
trong phổ phân tử dẫn đến sự phức tạp của phổ phân tử và phổ phân bố trên một vùng
khá rộng :
+ Chuyển dời giữa các mức năng lượng điện tử cho phổ điện tử phân bố trong
vùng tử ngoại và thấy được.
+ Chuyển dời giữa các mức năng lượng dao động cho phổ dao động trong vùng
hồng ngoại gần
+ Chuyển dời giữa các mức năng lượng quay cho phổ quay trong vùng hồng
ngoại xa.
1.2.3. Nguồn gốc một số loại phổ [1]
Mỗi loại phổ nằm ở những vùng phổ khác nhau và có nguồn gốc khác nhau.
Bảng 1.2. Các vùng phổ và nguồn gốc của nó
Loại phổ

Vùng phổ

Nguồn gốc

(𝑣̃, cm-1)
Tia X

108 - 106

Sự chuyển mức năng lượng của các điện
tử bên trong của nguyên tử, phân tử

Tử ngoại- khả

106 – 104

SVTH: Trương Thị Hồng Vân

Sự chuyển mức năng lượng của các điện

Trang 18


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD : Th.S Trần Thị Hồng

kiến

tử hóa trị của nguyên tử và phân tử

Raman và hồng

104 – 102

ngoại

Sự chuyển mức dao động (thay đổi cấu
hình)

Cộng hưởng từ

10-2 – 10-4

Sự chuyển dịch giữa các mức spin hạt
nhân trong từ trường

hạt nhân NMR
Cộng hưởng từ

1 – 10-2

spin điện tử ESR

Sự dịch chuyển giữa các mức spin (thay
đổi sự định hướng)

1.3. Quy tắc lựa chọn trong phổ phân tử
1.3.1. Xác suất chuyển dời
Xác suất chuyển dời giữa các trạng thái năng lượng, đặc trưng bằng các hàm
sóng Ψm và Ψn , được xác định bằng các moment chuyển dời lưỡng cực ⃗Pmn :
⃗Pmn = ∫ Ψm ⃗PΨn dτ

(1-9)

trong đó 𝑃⃗ = 𝑒 ∑ 𝑟𝑖 là toán tử moment lưỡng cực phân tử
𝑟𝑖 : bán kính vector của điện tích thứ i, e : độ lớn của điện tích

⃗Pmn: phản ảnh sự biến đổi moment lưỡng cực của phân tử trong thời gian
chuyển dời.
+ Nếu ⃗Pmn =0 thì xác suất chuyển dời sẽ bằng không và chuyển dời bị cấm
+ Nếu ⃗Pmn ≠ 0 thì xác suất chuyển dời sẽ cho phép và phổ sẽ xuất hiện.
1.3.2. Quy tắc lựa chọn [2]
Moment chuyển dời ⃗Pmn trong công thức (1-9) chỉ khác không trong một số
điều kiện giới hạn, gọi là quy tắc lựa chọn. Có hai dạng quy tắc lựa chọn:
* Quy tắc lựa chọn chung : quy định điều kiện trước tiên và quan trọng để xét
xác suất chuyển dời, đó là moment lưỡng cực ⃗P của phân tử. Với quy tắc này cho
phép đoán nhận khả năng xuất hiện phổ của mọi phân tử bất kỳ.
Bảng 1.3. Quy tắc lựa chọn của các loại phổ
Loại phổ

Chuyển dời cho phép

Điện tử

Đối với tất cả phân tử

Dao động hồng ngoại

Khi dao động gây ra biến đổi moment lưỡng cực của

SVTH: Trương Thị Hồng Vân

Trang 19


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD : Th.S Trần Thị Hồng
phân tử

Quay hồng ngoại

Đối với phân tử có ⃗P ≠0

SVTH: Trương Thị Hồng Vân

Trang 20


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD : Th.S Trần Thị Hồng

* Quy tắc lựa chọn riêng: Xác định sự tổ hợp hàm số Ψm ⃗PΨn đảm bảo ⃗Pmn
khác không, tức là xét sự biến đổi các lượng tử số đặc trưng cho từng loại chuyển dời
cụ thể (điện tử, dao động, quay).
1.4. Cấu trúc đám phổ phân tử
Khi quan sát với các máy có độ tán sắc cao, phổ phân tử gồm vơ số vạch bố trí
ít nhiều sát nhau. Người ta nói phổ phân tử có cấu trúc đám.
Do hiện tượng hấp thụ bức xạ điện từ của phân tử đã có tần số 𝑣 e-v-j gọi là đám
phổ điện tử - dao động - quay và 𝑣 e-v-j= 𝑣 e + 𝑣 v + 𝑣 j .Quá trình hình thành đám phổ có
thể biểu diễn bằng sơ đồ mức năng lượng:

Hình 1.3. Các mức năng lượng của phân tử hai ngun tử
Hình 1.3 mơ tả sơ đồ các mức năng lượng Ee, Ev, Ej. Mỗi mức Ee tương ứng với
các mức năng lượng dao động khác nhau Ev1, Ev2, Ev3,…, mỗi mức năng lượng dao
động Ev lại có mức năng lượng quay tương ứng Ej1, Ej2, Ej3…sơ đồ hình 1.3 cho thấy

hệ thống mức năng lượng đối với phân tử hết sức phức tạp, dẫn đến sự phức tạp của
phổ phân tử.
Vậy dãy các vạch quang phổ ứng với bước chuyển năng lượng dao động tạo
thành một đám. Hệ thống đầy đủ các đám phổ dao động ứng với một bước chuyển
điện tử nào đó thành hệ thống đám hay nhóm đám. Tập hợp các nhóm hay hệ thống
đám ứng với các bước chuyển điện tử khác nhau tạo thành toàn bộ đám phổ phân tử.[3]

SVTH: Trương Thị Hồng Vân

Trang 21


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD : Th.S Trần Thị Hồng

CHƯƠNG II . PHƯƠNG PHÁP PHỔ DAO ĐỘNG VÀ PHỔ QUAY
Tùy vào năng lượng kích thích lớn hay nhỏ mà trong phân tử xảy ra quá trình
quay, dao động hay cả quay lẫn dao động đồng thời khi phân tử hấp thụ năng lượng.
Để kích thích các q trình trên có thể dùng tia sáng vùng hồng ngoại nên các phương
pháp này gọi là phương pháp phổ hồng ngoại.
Vùng bức xạ hồng ngoại (IR) là một vùng phổ bức xạ điện từ rộng nằm giữa
vùng trông thấy và vùng vi ba. Vùng này có thể chia thành 3 vùng nhỏ:
- Hồng ngoại xa 400-10 cm-1 (1000- 25 μm),
- Hồng ngoại giữa 4000 - 400 cm-1 (25- 2,5μm)
- Hồng ngoại gần 14000- 4000 cm-1 (2,5 – 0,8μm)
Phương pháp phân tích phổ hồng ngoại nói ở đây là vùng phổ nằm trong vùng
có số sóng 4000 - 400 cm-1. Vùng này cung cấp cho ta những thông tin quan trọng về
các dao động của các phân tử từ đó có các thơng tin về cấu trúc của các phân tử.
2.1. Phương pháp phổ quay

Các phân tử khi hấp thụ năng lượng của ánh sáng kích thích nằm ở vùng hồng
ngoại xa sẽ quay quanh các trục cân bằng của chúng. Ta xét trường hợp đơn giản trạng
thái quay của phân tử hai nguyên tử.
2.1.1. Phổ quay của phân tử hai nguyên tử
2.1.1.1. Các mức năng lượng quay
a) Mẫu quay tử rắn và năng lượng quay
Xét phân tử gồm hai nguyên tử A, B khối lượng m1 và m2 tương ứng. Giả sử
phân tử AB quay quanh một trục vng góc với đường nối hai nguyên tử A, B và qua
khối tâm của phân tử (hình 2.1)

Hình 2.1. Quay tử rắn
Mơ hình để nghiên cứu chuyển động quay hai nguyên tử A, B trong khi phân tử
quay vẫn giữ khoảng cách giữa chúng không đổi gọi là mơ hình quay tử rắn. Trong
SVTH: Trương Thị Hồng Vân

Trang 22


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD : Th.S Trần Thị Hồng

trường hợp này không quan tâm đến chuyển động tịnh tiến của phân tử. Vì vậy, có thể
giả thiết khi phân tử quay thì khối tâm của phân tử cố định so với trục tọa độ. Để đơn
giản ta tịnh tiến gốc trục tọa độ về trùng với khối tâm.
Moment quán tính I của phân tử quay đối với trục quay đi qua khối tâm và
thẳng góc với đường lên kết là : I = m1r12 + m2r22 =
với 𝜇 =

m1 m2

m1 + m2

m1 m2
m1 + m2

r2 = 𝜇r2

(2-1)

là khối lượng rút gọn.

Theo cơ học lượng tử, bài toán của sự quay phân tử gồm hai nguyên tử đồng
nhất với bài toán của điện tử quay quanh hạt nhân trong nguyên tử hidro hay ta có
∂2 Ψ j

phương trình Schodinger:

∂x2

+

∂2 Ψ j
∂y2

+

∂2 Ψ j
∂z2

+

2μ
ћ2

Ej = 0

(2-2)

Từ phương trình này rút ra năng lượng quay của phân tử:
Ej =

h2
8π2 I

j(j + 1)

(2-3)

j gọi là số lượng tử quay có giá trị 0, 1, 2, 3,…,do đó năng lượng quay đã được lượng
tử hóa. Vì E tỉ lệ với j(j+1) nên khi j tăng các mức năng lượng nằm cách xa nhau.
Khi chia hai vế phương trình (2-3) cho h.c ta được :
Đặt

Ej
hc

= F(j) : số hạng quay; B =

h
8π2 cI

Ej
hc

h
8π2 cI

j(j + 1) (2-4)

là hằng số quay.

F(j) = Bj(j + 1)

Số hạng quay

=

(2-5)

b) Mẫu quay tử không rắn và năng lượng quay
Do trong thực tế khi phân tử quay khoảng cách giữa các phân tử cũng thay đổi
vì khi quay phân tử chịu sức căng ly tâm và khoảng cách cân bằng phụ thuộc lượng tử
số j. Khi j tăng, tần số quay tăng , khoảng cách r cũng tăng dẫn đến sự tăng giá trị của
moment quán tính I. Nên ta phải xét quay tử không rắn.
Xét hệ quay của phân tử hai nguyên tử
như hai chất điểm gắn chặt với nhau bằng một
lị xo khơng khối lượng.

Hình 2.2. Quay tử khơng rắn

Theo cơ học lượng tử, cơng thức tính năng lượng quay đối với quay tử không
rắn :
Số hạng quay :

Ej = hc [Bj(j + 1) − Dj2 (j + 1)2 ]

(2-6)

Fj = [Bj(j + 1) − Dj2 (j + 1)2 ]

(2-7)

SVTH: Trương Thị Hồng Vân

Trang 23


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD : Th.S Trần Thị Hồng

trong đó D là hằng số phân ly và có giá trị nhỏ hơn B rất nhiều ( D ≈ 10-4B).
Để minh họa ảnh hưởng của D lên các mức năng lượng quay tử không rắn bằng
cách biểu diễn sơ đồ so sánh các mức năng lượng quay tử không rắn (đường nét đứt)
và các mức năng lượng tương ứng của quay tử rắn (đường nét liền) trên hình 2.3.
Từ hình vẽ ta thấy ảnh hưởng

7

j

sức căng ly tâm chủ yếu lên các mức
6

quay cao và sự sai khác giữa hai mức
năng lượng của quay tử không rắn và

5

quay tử rắn không đáng kể nên dùng
4

mơ hình mẫu quay tử rắn để xác định

3
2
1
0

số sóng của các vạch phổ.

Hình 2.3. Giản đồ các mức năng lượng quay
a)

quay tử rắn

b)

quay tử không rắn

2.1.1.2. Phổ quay của phân tử hai nguyên tử
Ở điều kiện thường Ej lấy giá trị ứng với mức lượng tử j. Khi hấp thụ năng
lượng thì Ej sẽ chuyển từ mức j sang mức năng lượng j’ > j. Các bước chuyển năng
lượng quay tuân theo quy tắc chọn lọc.
Nếu như giữa hai nguyên tử có độ âm điện khác nhau thì moment lưỡng cực
của chúng khác khơng và chỉ những phân tử như thế mới bị kích thích bởi ánh sáng để
quay phân tử được.[8]
Xác suất chuyển dời quay giữa hai mức năng lượng j và j’ là :
Pj,j′ = ∫ Ψj . Pλ . Ψj′ . dθ

(2-8)

Do tính đối xứng của hàm sóng quay và sự phụ thuộc của Pλ vào tọa độ quay tử
nên Pj,j′ khác không khi:

∆j = ±1

(2-9)

Ngồi ra cịn quy tắc lựa chọn thỏa mãn tính đối xứng của hàm số sóng :
+

−− ;−

+ ; +

+; −

−

quy tắc này hoàn toàn phù hợp với Δj = ±1.
SVTH: Trương Thị Hồng Vân

Trang 24


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD : Th.S Trần Thị Hồng

Đối với phân tử hai nguyên tử giống nhau, còn thêm quy tắc :
a

a ;s

s;a

s

không thể đồng thời thỏa mãn quy tắc này với quy tắc Δj = ±1, nên phân tử hai
ngun tử giống nhau khơng có phổ quay hồng ngoại.
a) Phổ của quay tử rắn
Như trên đã nói, năng lượng quay của các phân tử đã được lượng tử hóa cho
nên các số hạng quay cũng sẽ được lượng tử hóa. Khi phân tử quay, chuyển từ mức
j sang j’:

F (j′) – F(j) = Bj’(j’ + 1) – Bj (j + 1)

Theo quy tắc lựa chọn đối với trường hợp quay phân tử thì hiệu số giữa hai
bước nhảy năng lượng chỉ có giá trị ±1, nghĩa là : ∆j = j′ − j = ±1

Hiệu số của hai số hạng quay này chính là số sóng 𝑣̃, bởi vì :
F (j′)– F(j) =

∆E
hc

=

h𝑣
hc

=

𝑣
c

= 𝑣̃

(2-10)

𝑣̃ = Bj’(j’ + 1) – Bj (j + 1)

Vậy :

(2-11)

+ Khi ∆j = j′ − j = +1 thì : 𝑣̃ = B(j + 1)(j + 2)– Bj (j + 1) = 2B(j + 1)
+ Khi ∆j = j′ − j = −1 thì : 𝑣̃ = B(j − 1)j– Bj (j + 1) = −2Bj
Ta thấy rằng phổ quay tử rắn là một dãy vạch nằm cách đều nhau với khoảng
cách bằng 2B.

Hình 2.4. Phổ quay tử rắn
d) Phổ quay tử không rắn[8]
Tuy nhiên, phổ quay của các phân tử ghi được không phải các vạch cách đều
nhau mà càng về sau các đỉnh càng sít lại gần nhau hơn bởi vì thực tế trong khi quay

SVTH: Trương Thị Hồng Vân

Trang 25