5. Spectres vibrationnels, règles de sélection
Les transitions vibrationnelles moléculaires peuvent fréquemment être observées par absorption directe, dans le domaine infrarouge, de photons d'énergie égale aux écarts entre niveaux vibrationnels. Certaines des raies du spectre de diffusion Raman auront donc même nombre d'ondes que les bandes observées dans le domaine de l'infrarouge. L'examen des aspects théoriques et expérimentaux de ces deux méthodes montre qu'il est indispensable de les employer conjointement, car elles s'avèrent complémentaires lorsqu'on cherche à tirer, du spectre vibrationnel, les données utiles à l'établissement des formules développées, des symétries et des structures.
Une molécule comportant N atomes peut être traitée comme un système mécanique à 3 N degrés de liberté, parmi lesquels on compte trois translations d'ensemble, trois rotations (ou deux rotations seulement pour une molécule linéaire). Les 3 N − 6 (ou 3 N − 5) mouvements restants rendent compte des déformations internes à la molécule, qui correspondent aux vibrations moléculaires.
Le traitement classique des vibrations d'une molécule polyatomique consiste à résoudre un système d'équations de Lagrange, dans lesquelles interviennent les énergies cinétique et potentielle. Dans l'hypothèse harmonique, le mouvement peut se résoudre en un ensemble de « modes normaux », auxquels sont associées des « coordonnées normales ». Pour chacun d'eux, tous les atomes vibrent en phase à la même fréquence, mais avec des amplitudes différentes. L'analyse des 3 N − 6 vibrations d'une molécule à grand nombre d'atomes ne peut être menée qu'en mettant en œuvre les moyens de calcul puissants disponibles de nos jours. Cependant, une analyse simplifiée, ne mettant en jeu que les propriétés de symétrie d'un édifice polyatomique, peut suffire si l'on se contente de dénombrer les modes vibrationnels et de déterminer leur activité en absorption infrarouge ou en diffusion Raman.
Cette activité, qui détermine la possibi […]
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