在物理学中，“振动”（vibration） 和“震动”（shake ）虽常被混淆使用，但二者具有明显的区别。振动是指物体围绕一个平衡位置所做的周期性往复运动，而震动则更多地描述了一种突然且剧烈的、往往是非周期性的摇动或冲击。振动是一种有序的运动形式，具有固定的频率和振幅，常见于机械系统、声学和量子力学等领域。例如，弦乐器发出的声音就是由弦的振动产生的。相比之下，震动则可能源于突发的能量释放，如地震或爆炸，这些现象虽然也可能由振动引起，但震动更强调瞬时性和可能的破坏力。

在同位素地球化学研究中，振动和震动的概念同样重要，尤其是在探讨同位素分馏的过程中。同位素分馏是指由于物理或化学过程导致不同质量的同位素在自然界中的分布发生变化。这种分馏现象受到温度、压力等多种因素的影响，其中振动在分子层面的作用不容忽视。分子间的振动可以促进化学反应，改变同位素之间的相对丰度。例如，在冰川融化过程中，轻同位素（如氧-16）比重同位素（如氧-18）更容易蒸发，这一过程与分子间的振动密切相关。此外，地震等震动事件也可能间接影响岩石中的同位素分布，通过改变地质结构，进而影响物质的迁移与富集。

• 莫尔斯势能和同位素分馏

Morse势 (蓝线)以及谐振子势(绿线). 与谐振子的情况不同，Morse势的能级间距并非均匀地以ħω为间隔，而是在能量趋于离解能的时候随之减小。由于最低振动能级(v = 0)的零点能的存在，离解能（dissociation energy）D_e要大于发生离解的真实的需要的能量D₀。（维基百科）

莫尔斯势能（Morse Potential）在描述分子间相互作用方面提供了比简谐振子模型更准确的描述，尤其是在分子振动过程中。它不仅适用于解释分子能级的分布，还能帮助理解同位素分馏现象。以下是莫尔斯势能与分子能级及同位素分馏之间的关系：

 1. 莫尔斯势能与分子能级

莫尔斯势能模型提供了分子振动能级的非谐性描述。在简谐振子模型中，分子的振动能级是等间距的，即：

其中 n 是量子数，h是约化普朗克常数，ω是角频率。而在莫尔斯势能模型中，分子振动能级不再是等间距的，而是随着量子数n 的增加而逐渐变宽。

具体来说，莫尔斯势能模型下的振动能级可以用以下公式近似表示：

ω是基态的振动频率，而ω描述了能级间隔随 n增加而减少的程度。

这种非谐性对于解释实际分子的光谱是非常重要的，因为在实际情况下，分子的振动能级确实会随着量子数的增加而逐渐变宽，而不是像简谐振子那样保持等间距。

2. 莫尔斯势能与同位素分馏

同位素分馏是指由于物理或化学过程导致不同质量的同位素在自然界中的分布发生变化。分子间的振动特性在同位素分馏中起着重要作用，尤其是在分子间相互作用势能的描述上。

在分子中，不同质量的同位素会导致分子的质量不同，进而影响分子的振动频率。根据莫尔斯势能模型，较重的同位素将具有较低的振动频率，而较轻的同位素则具有较高的振动频率。这种频率的变化会影响分子的能级分布，进而影响同位素在自然界的分布。

例如，在水分子（H₂O）中，氢的两种同位素（氕和氘）将导致水分子有不同的振动频率。由于氘的质量大于氕，含有氘的水分子（D₂O）将具有较低的振动频率。在自然环境中，这种差异可能导致轻同位素（如氕）更容易蒸发，而重同位素（如氘）则更容易留在液态或固态中，从而导致同位素分馏现象。

总结

莫尔斯势能模型不仅能够更好地描述分子的非谐性振动，还能帮助解释同位素分馏现象。通过该模型，我们可以理解不同质量同位素在分子间的振动特性如何影响它们的分布，这对于地质学、地球化学以及气候学等领域的研究具有重要意义。

参考资料：

Morse, P. M. (1929). "Diatomic molecules according to the wave mechanics. II. Vibrational levels". Phys. Rev. 34 (1): 57–64

Girifalco, L. A.; Weizer, G. V. (1959). "Application of the Morse Potential Function to cubic metals". Phys. Rev. 114 (3): 687Coroiu I. 

Evaluation of the isotopic thermal diffusion factor from Morse-Morse-Spline-Van der Waals intermolecular potential[J]. 2003.

Coroiu I. Evaluation of the isotopic thermal diffusion factor from Morse-Morse-Spline-Van der Waals intermolecular potential[J]. 2003

菲利普·麦科德·莫尔斯（Philip McCord Morse）是物理学领域的一位杰出人物，他于1939年至1968年间担任麻省理工学院（MIT）的物理学教授。莫尔斯在理论物理和应用物理方面都有所贡献，特别是在量子力学和分子光谱学领域。除了他在麻省理工学院的工作之外，他还与普林斯顿大学及布鲁克海文国家实验室有合作关系。莫尔斯的研究对于推动20世纪物理学的发展起到了重要作用，并且他的工作至今仍对相关科学领域有着深远的影响。他的学术成就和教育贡献为后来的科学家们树立了榜样。

转载本文请联系原作者获取授权，同时请注明本文来自李中平科学网博客。

链接地址：https://wap.sciencenet.cn/blog-3549522-1450137.html?mobile=1

收藏

分享