Spectrométrie de vibration (introduction)

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1 Spectrométrie de vibration (introduction)
François Fillaux LADIR-CNRS-Université P. et M. Curie, UMR 7075 2 rue H. Dunant, Thiais. Etude de la dynamique vibrationnelle à l’échelle des liaisons chimiques Relations entre structure et dynamique Caractérisation des interactions inter-atomiques Intérêt fondamental et applications Techniques optiques : infrarouge et Raman Diffusion inélastique des neutrons

2 Quelques propriétés remarquables des neutrons
Particule élémentaire neutre sans dimension Spin ½ Taille du neutron ou du proton m Masse du neutron , (10) kg Masse du proton , (10) kg Durée de vie du neutron (886,8 ± 3,4) s  15 min Quantité de mouvement Energie cinétique Vitesse Longueur d’onde 1 eV = 8 065,48(2) cm-1 = ,5(4) K = 241,7970(7) THz

3 Neutron Scattering Nuclear Cross-section Contrast
Penetration Depth (sample weight) Wavelength No Symmetry related Selection Rules Scattering Function: S(Q,w)

4 Les neutrons sont diffusés principalement par les noyaux atomiques
Neutron Scattering Les neutrons sont diffusés principalement par les noyaux atomiques Elastic Energy-loss Energy-gain

5 Sections efficaces de diffusion 1 barn (bn) = 10-24 cm2 H = 82.03
Neutron scattering lengths and cross sections

6 Probing Collective Dynamics with INS
Infrared Å-1 Raman Å-1 Neutrons Å-1

7 Q kf ki Neutron Scattering Q = ki - kf.
The incident and scattered neutrons are described by planar waves with wave-vectors ki and kf, respectively. The scattering vector is : Q = ki - kf. ki kf Q

8 Harmonic Oscillator

9 Harmonic Oscillator

10 Recoil lines

11 Laboratoire Léon Brillouin (Saclay)

12 Institut Laue-Langevin (Grenoble)

13 Inelastic Neutron Scattering at a Reactor Source
Three-axes spectrometer

14 ISIS pulsed neutron source (Chilton)

15 Inelastic Neutron Scattering at a Pulsed Source
Time-of-flight spectrometer

16 KH(CF3COO)2 n OH d OH g OH Infrared COO CF3 Raman g OH d OH n OH
Neutrons

17 Potassium Hydrogen Carbonate KHCO3

18 KHCO3 INS Ei = 4000 cm-1

19 KHCO3 INS

20 VIBRATIONAL SPECTROSCOPY
Force Fields and INS N atoms N NORMAL MODES · GF (3N-6)x(3N-6) · ULU+ Eigenvalues : Frequencies Eigenvectors: Intensities · Infrared: Qi · Raman : [a]Qi · Neutrons : s<u2> ½(3N-6)x (3N-5)

21 KHCO3 INS Normal Modes Localised Modes

22 Quantum rotation: tunnelling
The single quantum rotor CH3 BH ~ 650 µeV CD3 BD ~ 325 µeV

23 Quantum rotation: tunnelling
The single quantum rotor Free Hindered 5 4 Energy 3 2 1

24 4-METHYL-PYRYDINE (g-picoline)
INS spectrum

25 Spectrométrie de vibration (conclusion)
La diffusion inélastique des neutrons est complémentaire des spectrométries optiques, infrarouge et Raman Le transfert de moment fourni des informations sur les masses effectives d’oscillateurs Les intensités peuvent être reliées à la dynamique Pas de règles de sélection dues à la symétrie Etat condensé et Protons Technique lourde