Gaussian09/GaussView在光谱实验教学中的应用

王志军，毕开西

（长治学院 电子信息与物理系,山西 长治 046011）

1 引言

拉曼光谱作为近代物理实验中的重要内容之一，是研究分子结构及状态信息的一种重要手段[1,2]。通过该实验，学生不但可掌握拉曼光谱的基本实验技术，而且能更好地理解物质分子振动及散射光谱机制。但是，由于其理论性和技术性都很强，学生在学习过程中存在一定的困难。文章提出将目前国际上最为流行的量子化学计算软件之一的Gaussian09软件应用到拉曼光谱实验教学中[3]，借助GaussView5.0软件的视频功能，通过动态观察，可以对拉曼光谱的形成机制有较为清晰的认识。

2 四氯化碳拉曼光谱的理论计算

2.1 计算过程及结果

首先用GaussView软件构建出四氯化碳分子的低能构象，如图1所示。CCl4分子由一个碳原子和四个氯原子组成，其空间构型为正四面体结构。碳原子位于正四面体中心，四个氯原子位于正四面体的四个顶角。并在GaussView中设置计算任务(用DFT方法在6-31G基组下进行opt+freq计算)[4-6]；然后调用Gaussian09程序进行任务的计算；最后通过GaussView查看并导出计算获得的振动光谱图，如图2所示。通过点击各个峰，就能在分子模型窗口观察到产生该特征峰的振动。可以看出，振动频率分别为 218.81 cm-1、316.26 cm-1、452.21 cm-1、749.63 cm-1。与文献中报道的实验结果大体一致[7]。

图1 四氯化碳的分子构型

图2 四氯化碳拉曼光谱的高斯计算结果

2.2 结果分析

DFT理论计算结果表明，与拉曼光谱的特征峰对应的振动模式，以氯原子的伸缩振动和摆动为主要特征，不同峰位的振动和摆动模式及幅度不同。借助GaussView的动态视频功能，可以对四氯化碳拉曼光谱的特征峰作一个大致的归属，从四氯化碳拉曼光谱振动输出文件中提取的分子构象图如图3所示。可以看出，四氯化碳共有9种简正运动，振动频率218.81 cm-1的峰的振动模式是两重简并的，是相邻的两对Cl原子在与C原子（不动）连线或其垂直方向上做相反振动所致；振动频率为316.26 cm-1的峰的振动模式是三重简并的，是分子中任意两对Cl原子组合，沿其连线做伸张和压缩振动所致；振动频率为452.21 cm-1的峰对应的振动模式是4个氯原子沿各自与C原子连线同时向外或向内振动所致；振动频率为749.63 cm-1的峰的振动模式是三重简并的，是由四个Cl原子均做与C原子反向运动所致。各频率对应振动模式如图3所示。

图3 四氯化碳对应的9种简正振动模式示意图

3 小结

不同物质的振动光谱各不相同，因此解析光谱是学生深入理解拉曼光谱实验的另一个难点。借助于Gaussian09和GaussView软件，计算模拟出其振动光谱，并让学生观察谱图中的各种峰的归属。这样，将抽象的知识形象化、直观化，增强了学生的学习兴趣，教与学的效率得到有效提升。另外，还可以将Gaussian09和GaussView软件应用到近代物理的其他光谱实验教学中，培养学生良好的科学实验素养和科技创新意识。

［1］王志军，逯美红，周小芳，王铁云.拉曼光谱法检测微量乙烯气体［J］，长治学院学报，2013,30（2）：21-24.

［2］Zhang M Q,W ang R,Wu X B,et al.Principle,system and apppliciations of tip-enhanced Raman spectroscopy［J］.Science China,2012,8:1335-1344.

［3］谢惠定，郭蕴苹，黄燕.Gaussian03∕GaussView在红外光谱教学中的应用［J］，光谱实验室，2010，27（1）：:55-57.

［4］王光琴，李宁，沈京玲.Gaussian在THz光谱模拟中的应用［J］.首都师范大学学报，2007,3(128)：9-12.

［5］王卫宁.苏安酸的太赫兹和拉曼光谱研究［J］.物理学报，2009，58（11）:7640-7645.

［6］Becke A.D.Density-functional thermo chemistry.III.The role of exact exchange［J］.J.Chem.Phys.,1993,98:5648-5652.

［7］陆培民.CCl4的激光拉曼光谱研究［J］.物理与工程，2009，19（6）：31-35.