Spektroskopia rotacyjna

Spektroskopia rotacyjna – dziedzina spektroskopii cząsteczkowej badająca przejścia promieniste między poziomami rotacyjnymi (skwantowanymi poziomami energii obrotowej) cząsteczki pod wpływem promieniowania elektromagnetycznego. Widmo rotacyjne można otrzymać wyłącznie dla substancji w fazie gazowej. Obserwuje się je w postaci szeregu wąskich linii widmowych. Przejścia rotacyjne można opisać w przybliżeniu jako zmieniające jedynie część funkcji falowej cząsteczki zależną od kątów opisujących obrót cząsteczki jako całości w przestrzeni. Odstępy energetyczne pomiędzy poziomami rotacyjnymi są niewielkie, dlatego przejścia pomiędzy nimi są najniżej energetycznymi przejściami w zakresie całej spektrometrii optycznej. Odstępy te odpowiadają zakresowi promieniowania mikrofalowego.

W spektroskopii wykorzystywane są dwa rodzaje widma rotacyjnego:

• widmo rotacyjne absorpcyjne, obserwowane w zakresie promieniowania mikrofalowego, powstałe na skutek przejścia promienistego (w wyniku absorpcji promieniowania mikrofalowego) między niższym a wyższym poziomem rotacyjnym cząsteczki. Warunkiem obserwacji takiego widma jest posiadanie przez cząsteczkę trwałego elektrycznego momentu dipolowego, czyli polarność cząsteczki.

• widmo rotacyjne Ramana, obserwowane w widmie rozproszeniowym, powstałe na skutek rozproszenia nieelastycznego promieniowania elektromagnetycznego na poziomach rotacyjnych cząsteczki. Warunkiem obserwacji takiego widma jest anizotropia polaryzowalności cząsteczki, czyli w praktyce nieposiadanie przez daną cząsteczkę symetrii tetraedru, oktaedru lub ikosaedru.

Opis teoretyczny widma rotacyjnego opiera się w pierwszym przybliżeniu na przybliżeniu rotatora sztywnego. Cząsteczka w stanie gazowym ma możliwość swobodnego obrotu wokół wzajemnie prostopadłych osi zawieszonych w środku masy tej molekuły. Rotacja wokół każdej z tych osi związana jest ze skwantowanymi poziomami energetycznymi zależnymi od momentu bezwładności oraz rotacyjnej liczby kwantowej.