分子がIR活性であるために双極子モーメントに変化がなければならないのはなぜですか?

私の化学教科書は、分子が赤外線を吸収できるようにするためには、結合が振動するときに双極子モーメントの変化がなければならないと言っています。

私はそれがなぜあるのか分からない。いくつかの明確化が認められるだろう。

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このための実際の量子力学的正当化は「フェルミゴールデンルール」であり、分光法全体で選択ルールを正当化するために使用できます。もしあなたが好きなら、ここで派生/説明を投稿することができますが、それは(化学標準による)非常に関わっているので、あなたは量子の背景を持っていなければ役に立ちません。
追加された 著者 user10256,
情報をありがとう、説明を投稿してください!
追加された 著者 klokklok,

2 答え

振動が双極子モーメントの変化を伴う場合にのみ、IR活性であるという直感的な理由がある。

Recall that the typical wavelength of IR radiation ($\sim 10\mu\mathrm{m}$) is much larger than the typical size of a molecule ($\sim 1\mathrm{nm}$). Hence, to a very good approximation, the (time-varying) electric field of the IR radiation is spatially uniform within a molecule.

Now observe that under a spatially uniform electric field, all positive charges, regardless of their positions, are pushed to a common direction, and all negative charges are pushed to exactly the opposite direction. In this case, can the change in the total dipole moment, defined as $\Delta \vec{\mu} = \sum_{i} q_{i} \Delta \vec{r}_{i}$, be equal to zero?

明らかに、答えは "いいえ"です。変位$ \ {\ Delta \ vec {r} _ {i} \} $は、同じ電荷と逆電荷の間に平行です。したがって、$ \ {q_ {i} \ Delta \ vec {r} _ {i} \} $はすべて互いに平行であり、$ \ vec {\ Delta \ mu} $は0にはなりません。

これまで、私は、空間的に均一な電場によって引き起こされる運動は常に双極子モーメントの変化を伴うと主張してきた。必然的なことは、(IR放射の)空間的に均一な電場によって、双極子モーメントの変化を伴わない任意の運動を誘導することができないことである。

簡単な例として、場の方向が分子の長さに平行であるように、空間的に均一な電場を$ \ ce {CO_ {2}} $分子に加えると想像してください。このフィールドは、2つの酸素原子が反対方向に移動する対称的な伸縮を誘発することはできますか?確かにいいえ。両方の酸素原子は全く同じ量だけ負に帯電している。空間的に均一な電場の下では、それらは同じ大きさで同じ方向に押され、対称の伸縮の余地はありません。

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追加された
@Gregありがとう。実際、電場は分子内で空間的に均一であり(双極子近似と同等である)、可視光に対しては多かれ少なかれ、おそらくはUVに対してでさえある。
追加された 著者 Leonardo Herrera,
良い議論であり、短波長でもそうです。
追加された 著者 Greg,

分子が振動すると、双極子モーメントに変動がある場合、これは、赤外線に関連する電場と相互作用する電場を誘発する。放射線の周波数と分子の固有振動とが一致すると、吸収が起こる。

詳細については、UC Davis ChemWikiのこのページを参照してください。ウェブサイト

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