Gaussian09/GaussView在光譜實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

王志軍，畢開(kāi)西

（長(zhǎng)治學(xué)院 電子信息與物理系,山西 長(zhǎng)治 046011）

1 引言

拉曼光譜作為近代物理實(shí)驗(yàn)中的重要內(nèi)容之一，是研究分子結(jié)構(gòu)及狀態(tài)信息的一種重要手段[1,2]。通過(guò)該實(shí)驗(yàn)，學(xué)生不但可掌握拉曼光譜的基本實(shí)驗(yàn)技術(shù)，而且能更好地理解物質(zhì)分子振動(dòng)及散射光譜機(jī)制。但是，由于其理論性和技術(shù)性都很強(qiáng)，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中存在一定的困難。文章提出將目前國(guó)際上最為流行的量子化學(xué)計(jì)算軟件之一的Gaussian09軟件應(yīng)用到拉曼光譜實(shí)驗(yàn)教學(xué)中[3]，借助GaussView5.0軟件的視頻功能，通過(guò)動(dòng)態(tài)觀察，可以對(duì)拉曼光譜的形成機(jī)制有較為清晰的認(rèn)識(shí)。

2 四氯化碳拉曼光譜的理論計(jì)算

2.1 計(jì)算過(guò)程及結(jié)果

首先用GaussView軟件構(gòu)建出四氯化碳分子的低能構(gòu)象，如圖1所示。CCl4分子由一個(gè)碳原子和四個(gè)氯原子組成，其空間構(gòu)型為正四面體結(jié)構(gòu)。碳原子位于正四面體中心，四個(gè)氯原子位于正四面體的四個(gè)頂角。并在GaussView中設(shè)置計(jì)算任務(wù)(用DFT方法在6-31G基組下進(jìn)行opt+freq計(jì)算)[4-6]；然后調(diào)用Gaussian09程序進(jìn)行任務(wù)的計(jì)算；最后通過(guò)GaussView查看并導(dǎo)出計(jì)算獲得的振動(dòng)光譜圖，如圖2所示。通過(guò)點(diǎn)擊各個(gè)峰，就能在分子模型窗口觀察到產(chǎn)生該特征峰的振動(dòng)。可以看出，振動(dòng)頻率分別為 218.81 cm-1、316.26 cm-1、452.21 cm-1、749.63 cm-1。與文獻(xiàn)中報(bào)道的實(shí)驗(yàn)結(jié)果大體一致[7]。

圖1 四氯化碳的分子構(gòu)型

圖2 四氯化碳拉曼光譜的高斯計(jì)算結(jié)果

2.2 結(jié)果分析

DFT理論計(jì)算結(jié)果表明，與拉曼光譜的特征峰對(duì)應(yīng)的振動(dòng)模式，以氯原子的伸縮振動(dòng)和擺動(dòng)為主要特征，不同峰位的振動(dòng)和擺動(dòng)模式及幅度不同。借助GaussView的動(dòng)態(tài)視頻功能，可以對(duì)四氯化碳拉曼光譜的特征峰作一個(gè)大致的歸屬，從四氯化碳拉曼光譜振動(dòng)輸出文件中提取的分子構(gòu)象圖如圖3所示。可以看出，四氯化碳共有9種簡(jiǎn)正運(yùn)動(dòng)，振動(dòng)頻率218.81 cm-1的峰的振動(dòng)模式是兩重簡(jiǎn)并的，是相鄰的兩對(duì)Cl原子在與C原子（不動(dòng)）連線或其垂直方向上做相反振動(dòng)所致；振動(dòng)頻率為316.26 cm-1的峰的振動(dòng)模式是三重簡(jiǎn)并的，是分子中任意兩對(duì)Cl原子組合，沿其連線做伸張和壓縮振動(dòng)所致；振動(dòng)頻率為452.21 cm-1的峰對(duì)應(yīng)的振動(dòng)模式是4個(gè)氯原子沿各自與C原子連線同時(shí)向外或向內(nèi)振動(dòng)所致；振動(dòng)頻率為749.63 cm-1的峰的振動(dòng)模式是三重簡(jiǎn)并的，是由四個(gè)Cl原子均做與C原子反向運(yùn)動(dòng)所致。各頻率對(duì)應(yīng)振動(dòng)模式如圖3所示。

圖3 四氯化碳對(duì)應(yīng)的9種簡(jiǎn)正振動(dòng)模式示意圖

3 小結(jié)

不同物質(zhì)的振動(dòng)光譜各不相同，因此解析光譜是學(xué)生深入理解拉曼光譜實(shí)驗(yàn)的另一個(gè)難點(diǎn)。借助于Gaussian09和GaussView軟件，計(jì)算模擬出其振動(dòng)光譜，并讓學(xué)生觀察譜圖中的各種峰的歸屬。這樣，將抽象的知識(shí)形象化、直觀化，增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，教與學(xué)的效率得到有效提升。另外，還可以將Gaussian09和GaussView軟件應(yīng)用到近代物理的其他光譜實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，培養(yǎng)學(xué)生良好的科學(xué)實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)和科技創(chuàng)新意識(shí)。

［1］王志軍，逯美紅，周小芳，王鐵云.拉曼光譜法檢測(cè)微量乙烯氣體［J］，長(zhǎng)治學(xué)院學(xué)報(bào)，2013,30（2）：21-24.

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