Ця симуляція візуалізує інфрачервону спектроскопію поглинання п'яти поширених молекул — H₂O, CO₂, CH₄, HCl та NH₃ — на основі закону Бугера-Ламберта-Бера. Коливальні смуги кожної молекули моделюються як лоренцівські лінії поглинання на реальних значеннях основних хвильових чисел, а для сильних валентних коливань модель додає обертальну тонку структуру P- та R-гілок у наближенні жорсткого ротора. Супутня діаграма енергетичних рівнів показує коливальний перехід v=0 → v=1 позаду кожної смуги, тож можна безпосередньо пов'язати спектр із квантовим стрибком, що лежить в його основі.
Синтетичний спектр ІЧ-пропускання в діапазоні 400–4000 см⁻¹, побудований на реальних смугах поглинання кожної молекули (наприклад, моди H₂O при 1595, 3400 та 3756 см⁻¹; моди CO₂ при 667 та 2349 см⁻¹). Сильні валентні смуги з помітною обертальною сталою B демонструють розділені обертальні лінії P/R, відносні інтенсивності яких визначаються фактором больцманівського заселення при обраній температурі.
Оберіть молекулу зі спадного списку (H₂O, CO₂, CH₄, HCl, NH₃). Пересувайте повзунок Температури (80–1500 K), щоб змінити заселеність рівнів і розширення смуг, повзунок Роздільної здатності (0,5–50 см⁻¹), щоб загострити або розмити обертальну тонку структуру, та повзунок Концентрація × шлях (0,1–5), щоб масштабувати поглинання за законом Бера. Інформаційне поле під елементами керування оновлюється фактами про смуги обраної молекули.
HCl має один із найчистіших коливально-обертальних спектрів серед усіх молекул — його лінії P- та R-гілок розташовані рівномірно з інтервалом приблизно 2B, а за високої роздільної здатності навіть можна побачити різницю мас між ізотопами ³⁵Cl та ³⁷Cl у вигляді крихітних дублетів у кожній лінії.
Закон Бугера-Ламберта-Бера пов'язує поглинання з концентрацією та довжиною шляху: A пропорційне добутку c на l та коефіцієнта поглинання молекули. У цій симуляції повзунок Концентрація × шлях безпосередньо масштабує цей добуток, тож більші значення підштовхують смуги до повного поглинання (пропускання, близьке до нуля), а менші залишають спектр здебільшого прозорим.
Обертальна тонка структура з'являється лише для сильних валентних смуг молекул з достатньо великою обертальною сталою B, як-от HCl та NH₃. Деформаційні та комбінаційні смуги, а також молекули з дуже малим B, як CO₂, відображаються як прості плавні лоренцівські лінії, оскільки їхній обертальний інтервал був би надто дрібним або заселеність — надто розмазаною, щоб це впливало на візуалізацію.
Температура впливає двома способами: больцманівський фактор дещо змінює ефективну інтенсивність кожної смуги, а для смуг із розділеною обертальною структурою вона змінює форму обвідної гілок P/R, оскільки за вищої температури заселюються вищі обертальні рівні J. Тому підвищення повзунка Температури розширює й перерозподіляє інтенсивність по обертальних лініях відповідних смуг.
Це коливально-обертальні переходи, що супроводжують коливальний стрибок. Лінії R-гілки (ΔJ = +1) розташовані вище центру смуги, а лінії P-гілки (ΔJ = −1) — нижче, з інтервалами приблизно 2B(J+1) та 2B·J відповідно. Їхні відносні висоти визначаються розподілом заселеності (2J+1)·exp(−hcBJ(J+1)/kT), тому обвідна гілок має характерний пік осторонь від центру смуги.
Це спрощена, але фізично обґрунтована модель, а не повний розрахунок ab initio. Положення та інтенсивності смуг взяті з реальних експериментальних значень, форма ліній використовує стандартну лоренцівську функцію розширення, а обертальна тонка структура використовує підручникову формулу P/R-гілок жорсткого ротора зі справжнім больцманівським фактором заселеності — цього достатньо, щоб відтворити якісний і напівкількісний вигляд справжнього ІЧ-спектра.