분자 진동은 분자의 질량중심이 변하지 않도록 분자 내 원자들이 서로에 대해 주기적인 움직임을 하는 현상을 가리키는 물리학 및 화학 용어이다. 분자 내 원자들은 공유결합에 의해 연결되어 있으며, 이 결합은 용수철과 유사한 복원력을 제공하여 원자들이 평형 위치 주변에서 진동하게 한다.
분자 진동의 일반적인 진동 주파수 범위는 약 10¹³ Hz 미만에서 약 10¹⁴ Hz 사이이며, 이는 약 300~3000 cm⁻¹의 파수(wavenumber)와 약 30~3 μm의 파장에 해당한다. 진동 에너지는 양자화되어 있으며, 분자가 ΔE = hν(여기서 h는 플랑크 상수, ν는 진동 주파수)의 관계에 따라 에너지를 흡수할 때 진동이 들뜨게 된다.
다원자 분자의 진동은 서로 독립적인 정상 모드(normal mode)로 설명된다. 일반적으로 N개의 원자를 가진 비선형 분자는 3N-6개의 정상 진동 모드를 가지며, 선형 분자는 분자 축에 대한 회전이 관찰 불가능하므로 3N-5개의 모드를 갖는다. 이원자 분자는 단일 결합을 늘리거나 압축하는 하나의 정상 진동 모드만을 가진다.
분자 진동의 기본 유형은 크게 신축 진동(stretching vibration)과 굽힘 진동(bending vibration)으로 분류된다. 신축 진동은 결합선을 따라 발생하며 결합 길이를 변화시키고, 대칭 신축과 비대칭 신축으로 세분된다. 굽힘 진동은 결합 각도를 변화시키며, 평면 내 굽힘(가위질, 흔들림)과 평면 외 굽힘(비틀림, 흔들림)으로 나뉜다.
첫 번째 근사에서 정상 진동의 운동은 단순 조화 운동으로 설명될 수 있으며, 이 근사에서 진동 에너지는 원자 변위에 대한 2차 함수(포물선) 형태를 가진다. 그러나 실제 분자 진동은 비조화적(anharmonic)이며, 위치 에너지는 모스 전위(Morse potential)에 더 가깝다. 더 높은 배음(overtone)이 여기될수록 추가 에너지는 점점 줄어들고, 결국 분자의 해리(dissociation)로 이어진다.
분자의 진동 상태를 연구하는 주요 실험 방법으로는 적외선 분광법(IR spectroscopy)과 라만 분광법(Raman spectroscopy)이 있다. 적외선 분광법은 진동 전이가 일반적으로 적외선 영역의 에너지를 필요로 하기 때문에 가장 직접적인 방법이며, 라만 분광법은 가시광선을 사용하여 진동 주파수를 측정한다. 두 기술은 상호 보완적이며, 중심 대칭 분자에 대한 상호 배제 규칙과 같은 유용한 구조 정보를 제공한다. 진동과 회전의 동시 여기는 진동-회전 스펙트럼(vibrational-rotational spectrum)을 발생시키며, 진동 여기와 전자 여기가 함께 발생하는 경우를 바이브로닉 전이(vibronic transition)라고 한다.
