Vibrasi molekul dipelajari dari spektroskopi. Ada beberapa metode analisis spektroskopi, yang paling dikenal adalah spektroskopi inframerah. Tujuannya hampir selalu sama, untuk menemukan “tanda tangan” atau “sidik jari” yang dipancarkan setiap zat atau molekul ketika berinteraksi dengan cahaya.
Melalui spektroskopi, dimungkinkan untuk mengenali keberadaan molekul tertentu melalui puncak intensitas frekuensi getarannya, yang bergantung pada massa dan gaya yang berinteraksi antara atom-atom suatu molekul. Gerakan getaran molekul dapat diklasifikasikan menjadi tiga jenis:
- a) cara ekstensi, yang sesuai dengan variasi jarak antara atom;
- b) cara lentur, yang sesuai dengan variasi sudut yang dibentuk oleh dua ikatan pada atom yang sama dan;
- c) cara puntir, yang sesuai dengan rotasi relatif dua kelompok atom pada ikatan
Bagaimana cahaya berinteraksi dengan getaran molekul
Kita akan menggunakan metode biasa yang secara skematis mewakili energi dari keadaan vibrasi dengan diagram level. Setiap energi yang mungkin untuk getaran molekul akan diwakili oleh tanda hubung (__), diurutkan sesuai dengan peningkatan nilai energi, seperti yang kita lihat dalam kasus elektron dalam atom Bohr.
Untuk menyederhanakan deskripsi kami, kami akan mengasumsikan bahwa setiap cara getaran normal hanya memiliki dua kemungkinan keadaan (dan tingkat energi). Yang terendah sesuai hanya dengan sebuah molekul berhenti, tanpa bergetar, kemudian dengan energi E 0 = 0. Ini adalah apa yang disebut keadaan dasar dari getaran molekuler. Tingkat lainnya sesuai dengan energi E1 yang dimiliki molekul ketika bergetar dalam salah satu cara normalnya. Oleh karena itu, untuk membujuk molekul yang dihentikan agar bergetar dengan cara normal itu, perlu menerapkan energi E 1. Ini berarti “mengeksitasi” molekul, dan di sana keadaan itu akan disebut keadaan tereksitasi.
Sebuah foton yang menabrak molekul dapat melakukan pekerjaan itu untuk Anda. Cukup bahwa ia memiliki energi Ef yang sama dengan perbedaan energi antara tingkat tereksitasi dan fundamental.
Yaitu, E f = E 1
Dalam hal ini, foton dapat ditelan oleh molekul dan menghilang. Kami mengatakan bahwa foton diserap. Getaran molekul cenderung menyerap foton yang termasuk dalam wilayah spektrum inframerah.
Sekarang, mari kita lihat apa yang terjadi pada hamburan Raman. Dalam hal ini, foton datang memiliki energi E f jauh lebih besar dari energi E 1 dengan cara biasa. Dengan menyerang molekul, foton dapat merangsang ke sebuah negara yang energi EV jauh lebih besar daripada energi E 1 dari cara getaran. Secara umum, eksitasi ini adalah elektronik, dari jenis yang kita temukan dalam kasus atom Bohr. Tapi, keadaan tereksitasi ini sangat tidak stabil dan molekul dengan cepat jatuh ke tingkat energi yang lebih rendah. Molekul dapat, misalnya, kembali ke keadaan dasar (0), memancarkan kembali foton dengan energi yang sama dengan foton datang, dalam arah yang mungkin berbeda dari arah sebelumnya. Untuk semua maksud dan tujuan, foton insiden tersebar begitu saja, tanpa kehilangan energi awalnya. Itulah hamburan Rayleigh, seperti yang telah kita lihat. Sebagian besar foton yang menabrak molekul dengan cara ini.
Namun, dalam beberapa kasus, molekul tidak kembali ke keadaan dasar. Setelah meluruh, ia tetap dalam keadaan vibrasi (1), dengan energi (E 1 ). Dalam hal ini, foton yang dipancarkan kembali ke segala arah mengalami penurunan energi menuju Ef – E1. Molekul dan getarannya mencuri sebagian energi dari foton. Ini adalah jenis hamburan Raman.
Tapi ada kemungkinan lain. Molekul mungkin sudah bergetar dengan energi E1, ketika foton mengenainya, membawanya ke energi EV yang jauh lebih tinggi. Dari keadaan itu V ‘molekul meluruh, tetapi sekarang untuk keadaan dasar (0), Dalam prosesnya, sebuah foton energi Ef + E1 dipancarkan. Nah, fotonlah yang mencuri sebagian energi dari molekul, oleh karena itu proses Raman dapat menghasilkan foton dengan energi yang lebih besar atau lebih kecil dari energi foton datang.
Ketika energi foton berkurang menghasilkan getaran molekul, proses ini disebut Stokes, karena alasan historis. Dalam kasus lain, di mana energi foton meningkat dengan mencuri energi getaran dari molekul, prosesnya disebut anti Stokes.
Apa yang membuat molekul bergetar bahkan sebelum menerima cahaya, adalah agitasi termal. Lingkungan di mana sampel ditukar panas (energi) dengan molekul, menarik beberapa dari mereka ke cara getaran normal. Merekalah yang dapat menghasilkan hamburan Raman anti-Stokes. Biasanya, dalam sampel pada suhu kamar, jumlah molekul yang berada dalam keadaan kota jauh lebih besar daripada molekul yang sudah tereksitasi secara termal. Oleh karena itu jumlah proses tipe Stokes lebih besar daripada jumlah proses anti-Stokes.
Nanti kita akan melihat jenis getaran apa yang dapat menghasilkan hamburan Raman dan jenis apa yang tidak. Itu akan membawa kita ke keintiman interaksi antara cahaya dan materi.