含义Meaning
N 原子分子有 3N 个运动自由度,扣除 3 个平动和 3 个(线形 2 个)转动即为振动模式数。用群论可求出每个模式的对称性,并判断红外(按 x, y, z 变换)和拉曼(按二次函数变换)活性。
A molecule of N atoms has 3N degrees of freedom; subtracting 3 translations and 3 (linear: 2) rotations gives the number of vibrations. Group theory gives each mode’s symmetry and its IR (x, y, z) and Raman (quadratic) activity.
符号说明Symbols
| 符号Symbol | 含义 Meaning | 单位 Unit |
|---|---|---|
| \(N\) | 原子数number of atoms | 1 |
| \(N_\text{不动}(R)\) | 操作 R 下位置不变的原子数atoms left in place by R | 1 |
| \(\theta_R\) | 该操作的转角(σ 对应 0°,i 对应 180°)rotation angle of R (σ: 0°, i: 180°) | ° |
推导Derivation
每个原子三个笛卡尔位移,共 3N 个基函数构成可约表示 Γ₃N。
3N Cartesian displacements form the representation Γ₃N.
只有不动原子贡献特征标;每个不动原子贡献 3×3 转动(反转)矩阵的迹 \(\pm1 + 2\cos\theta\)。
Only unmoved atoms contribute, each with trace ±1 + 2cos θ.
约化 Γ₃N,再减去按 (x, y, z) 和 (Rx, Ry, Rz) 变换的不可约表示,得 Γ_vib。
Reduce Γ₃N and subtract the irreps of (x,y,z) and (Rx,Ry,Rz).
有对称中心时,IR 活性(u)与拉曼活性(g)模式互斥。
With an inversion centre IR (u) and Raman (g) activity are mutually exclusive.
适用条件与局限Assumptions & limitations
给出模式数目和对称性,不给出频率;简并模式只算一个谱带。实际强度还取决于偶极矩/极化率导数大小。
Gives number and symmetry, not frequencies; degenerate modes give one band; intensities depend on derivative magnitudes.
例题Worked example
H₂O(C₂ᵥ):Γ_vib = 2A₁ + B₁,3 个模式都 IR 和拉曼活性。CO₂(D∞h):Σg⁺(拉曼)+ Σu⁺ + Πu(IR),共 4 个。CH₄(Td):A₁ + E + 2T₂,只有 T₂ 为 IR 活性(3019、1306 cm⁻¹)。
H₂O: 2A₁ + B₁, all IR and Raman active. CO₂: Σg⁺ (Raman) + Σu⁺ + Πu (IR). CH₄: A₁ + E + 2T₂; only T₂ is IR-active.