Вибронное взаимодействие - взаимодействие электронов и колебаний ядер в молекуле или в твердом теле. Взаимодействие происходит прежде всего благодаря кулоновскому взаимодействию отрицательного заряда электрона и положительного заряда ядра.
В молекулах взаимодействие электрона с колебаниями ядер приводит к сложной структуре энергетических уровней по сравнению с одиночными атомами. Поскольку масса ядер много больше массы электрона, скорость колебательного движения ядер в молекуле гораздо меньше скорости движения электронов по орбитам. Это позволяет рассматривать влияние колебаний ядер на состояния электрона как медленное возмущение и использовать для расчета энергетических уровней теорию возмущений. Прежде всего рассчитывается уровни энергии электронов, когда ядра неподвижны и находятся в положении равновесия. Эти уровни можно пронумеровать, обозначим их U_i, где i=1,2,.... Затем учитывается возможное колебательное движение ядер около точки равновесия, а также возможное вращение молекулы.
Приведем решение для энергетических уровней, не слишком далеко отстоящих от основного уровня:

Энергия уровня представлена в виде трех слагаемых. Первое слагаемое - U_i - энергия, рассчитанная в предположении о том, что ядра неподвижны и находятся в равновесии. Второе и третье слагаемые являются малыми поправками к первому и учитывают соответственно энергию колебательного и вращательного движения ядер. Третье слагаемое по величине много меньше второго. Структура уровней, соответствующая приведенной формуле, показана на Рис. 1. Определенный энергетический уровень задается комбинацией трех целых чисел - i, u и k.

Появление по сравнению с одиночными атомами гораздо более плотной структуры уровней влечет за собой появление новых возможных переходов. В одноатомных газах интервалы между уровнями велики, а в молекулярных уровни расположены плотно, и возможны переходы с малой разницей в энергиях уровней. В результате молекулярные газы активно испускают и поглощают свет с квантами малой энергии - инфракрасного и видимого диапазонов.
В твердом теле рассмотрение колебаний отдельных ядер кристаллической решетки неэффективно - система описывается триллионами связанных дифференциальных уравнений. Удобным оказалось представление о квазичастицах - фононах, распространение которых описвыает возбуждение колебаний решетки. Перенос энергии и импульса посредством колебаний решетки описывается переносом энергии и импульса фононом. С этой точки зрения вибронное взаимодействие, взаимодействие электронов с колебаниями решетки, описывается как взаимодействие электронов с фононами. Вибронное взаимодействие между электронами - это взаимодействие притяжения, тогда как кулоновское - взаимодействие отталкивания. Вибронное взаимодействие между электронами описывается как обмен фононами, аналогично тому, как электромагинтное взаимодействие описывается как обмен фотонами. Вибронное взаимодействие при низких температурах приводит к появлению связанного состояния двух электронов, куперовской пары (см. Примеры).

Образование куперовской пары.

Рассмотрим движение электрона сквозь кристаллическую решетку. Положительно заряженные ядра смещаются под действием кулоновской силы притяжения к электрону, происходит поляризация решетки. Из-за смещения зарядов потенциал исажается, и за электроном следует область избыточного положительного заряда, которая способна притянуть другой электрон (Рис. 1).

С точки зрения квантовой механики важно образование "потенциальной ямы" - при достаточной энергетической глубине может в ней может появиться связанное состояние. Если пролетающий мимо второй электрон займет этот уровень, возникнет связанное состояние двух электронов - куперовская пара. Этот эффект лежит в основе такого явления, как сверхпроводимость - в настоящее время оно успешно наблюдается на опыте (при температурах,близких к абсолютному нулю), а также применяется во многих технических устройствах.

Эффект Яна-Теллера.

Вибронное взаимодействие является причиной эффекта Яна-Теллера - любая конфигурация ионов или атомов, за исключением линейной, с вырожденным по орбитальному моменту электронным состоянием является неустойчивой. Следствием этого правила является отклонение конфигураций многих многоатомных молекул от наиболее симметричных. Например, октоэдрическая конфигурация (Рис. 2) часто оказывается неустойчивой и на опыте наблюдаются плоские конфигурации молекул.

Таким образом, эффект Яна-Теллера необходимо учитывать в задачах стереохимии.

Сложная структура молекулярного спектра по сравнению с атомным - следствие взаимодействия электрона с колебательными движениями ядра и вращением молекулы. Колебательными называются переходы с разным колебательным числом u и одинаковым индексом электронного состояния i (см. описание эффекта). Колебательные переходы используются в детекторах инфракрасного излучения.

Непосредственно детектировать инфракрасное излучение сложно, гораздо проще регистрировать излучение с более энергичными квантами - в видимом диапазоне света. Пусть есть молекулярный газ, в его системе есть электронный уровень i', непосредственный переход из которого в основное состояние запрещен. Можно перевести молекулы на этот уровень, обратного перехода не произойдет, поскольку он запрещен. Но если молекулы поглотят кванты инфракрасного излучения, они перейдут на уровень с тем же индексом i', но с другим u. С этого уровня переход может быть разрешен, и тогда в ответ на инфракрасное излучение газ будет излучать кванты видимого диапазона, которые зарегестрировать легко (Рис. 1).