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分子光谱
阅读:398时间:2018-06-23 10:14:36

分子从一种能态改变到另一种能态时的吸收或发射光谱(可包括从紫外到远红外直至微波谱)。分子光谱与分子绕轴的转动、分子中原子在平衡位置的振动和分子内电子的跃迁相对应。

简介

在分子中,电子态的能量比振动态的能量大50~100倍,而振动态的能量又比转动态的能量大50~100倍。因此在分子的电子态之间的跃迁中,总是伴随着振动和转动跃迁的,因而许多光谱线就密集在一起而形成分子光谱。因此,分子光谱又叫做带状光谱。分子光谱指,分子从一种能态改变到另一种能态时的吸收或发射光谱(可包括从紫外到远红外直至微波谱)。分子光谱与分子绕轴的转动、分子中原子在平衡位置的振动和分子内电子的跃迁相对应。

背景

  原子光谱的特征是线状光谱,一个线系中各谱线间隔都较大,只在接近线系极限处越来越密,该处强度也较弱;若原子外层电子数目较少,谱线系也为数不多.分子光谱的一般分布与原子光谱不同,许多谱线形成一段一段的密集区域成为连续带状,称为光谱带.所以分子光谱的特征是带光谱.它的波长分布范围很广,可出现在远红外区(波长是cm或mm数量级)、近红外区(波长是μm数量级)、可见区和紫外区(波长约在10-1μm数量级).分子光谱一般具有如下规律:
  (1)由光谱线组成光谱带;
  (2)几个光谱带组成一个光谱带组;
  (3)几个光谱带组组成分子光谱.
  光学分析法可分为光谱法和非光谱法两大类。光谱法是基于物质与辐射能作用时,测量由物质内部发生量子化的能级之间的跃迁产生的发射.吸收或者散射辐射的波长和强度进行分析的方法。
  光谱法可以分为原子光谱法和分子光谱法。
  原子光谱法是由原子外层或内层电子能及的变化产生的,他的表现形式为线光谱。属于这类分析方法的有,原子发射光谱法(AES),原子吸收光谱法(AAS),原子荧光光谱法(AFS)以及以X射线荧光光谱法(XFS)。
  分子光谱法是由分子中电子能级,振动和转动能级的变化产生的,表现为带光谱。属于这类分析方法的有,紫外可见分光光度法(UV-Vis),红外光谱法(IR)分子荧光光谱法(MFS)和分子磷光光谱法(MPS),核磁共振与顺磁共振波谱(N)等。
  非光谱法是基于物质与辐射相互作用时,测量辐射的某些性质,比如折射,散射,干涉,衍射,偏振,等的变化的分析方法。

分类

  利用分子能级之间跃迁方向,可以将分子光谱分为发射光谱和吸收光谱。
  发射光谱
  发射光谱是指样品本身产生的光谱被检测器接收。样品本身被激发,然后回到基态,发射出特征光谱。发射光谱一般没有光源,如果有光源那也是作为波长确认之用。在测定时该光源也肯定处于关闭状态。
  吸收光谱
  吸收光谱是光源发射的光谱被样品吸收了一部分,剩下的那部分光谱被检测器接收。吸收光谱都有光源,测定时光源始终工作,并且光源、样品、检测器在一直线上。如果不在一直线上,则可能是荧光光谱。
  利用不同分子能级之间的跃迁,可将分子光谱分为纯转动光谱、振动-转动光谱带和电子光谱带。
  分子的纯转动光谱由分子转动能级之间的跃迁产生,分布在远红外波段,通常主要观测吸收光谱;振动-转动光谱带由不同振动能级上的各转动能级之间跃迁产生,是一些密集的谱线,分布在近红外波段,通常也主要观测吸收光谱;电子光谱带由不同电子态上不同振动和不同转动能级之间的跃迁产生,可分成许多带,分布在可见或紫外波段,可观测发射光谱。非极性分子由于不存在电偶极矩,没有转动光谱和振动-转动光谱带,只有极性分子才有这类光谱带。
  分子能级
  据实验观察,分子光谱是由远红外光谱、近红外光谱、可见光和紫外光谱交织在一起的光谱.而远红外光谱是由于分子转动能级[3]的变化引起的;近红外光谱是分子既有振动能级又有转动能级改变时产生的;而可见光和紫外光谱是分子既有电子能级又有振动和转动能级变化时产生的.所以分子内部既有分子转动,又有分子的振动,还有分子中电子的运动.
  分子的转动能级和转动光谱
  在辐射过程中,分子的电子状态和振动状态都没有改变,则辐射仅由分子转动状态的改变引起.由于△E转最小,相应光子的能量很小,所产生的光谱一般在远红外区域.
  分子的振动能级和振动光谱
  在此仍以双原子分子为例,假定分子辐射时,分子的电子状态和转动状态都不改变,则辐射由分子的振动状态的改变而引起.
  纯振动光谱
  纯振动光谱是同一电子态中,不同振动能级间跃迁所产生的光谱.
  分子的振转光谱
  当分子的振动状态发生变化时,转动状态也常常发生变化,这时发射的光谱称为振转光谱.
  分子中电子能级跃迁产生的光谱
  分子的电子状态分子的内层电子在各原子核周围组成封闭的电子层,与原子未结合成分子的情况一样.但分子的外层电子则处于它们的联合电场中运动,分子的电子态决定于这些外层电子.
  分子的电子—振动—转动光谱分子中电子状态发生变化所产生的光谱称为分子的电子光谱.由于电子能级变化时,振动、转动状态都要发生变化,因此称电子光谱为电子—振动—转动光谱.
  Raman效应
  1928年,原苏联科学家Л.И.MaидeлbщTaM(曼迭利斯塔纽)和T·C·Лaилсσeрг(兰德斯别尔)及印度科学家Raman和Krishnan在印度分别独立发现,当用强的单色光源照射某物质样品时,由于分子的散射,在垂直入射光方向观察到散射光中具有三种不同频率的光从样品中发射出来.其中一条谱线的频率与入射光频率ν0相同;另两条谱线则对称地分布在ν0两侧,频率为ν0±Δν,Δν的大小由样品分子的转动或振动光谱性质决定.此种现象被称为Raman效应.由于散射光的频率等于入射光频率与Δν组合的数值,所以也称其为组合散射.

作用

  分子光谱是提供分子内部信息的主要途径,根据分子光谱可以确定分子的转动惯量、分子的键长和键强度以及分子离解能等许多性质,从而可推测分子的结构。
  分子光谱学曾对物质结构的了解和量子力学的发展起了关键性作用;而现在,分子光谱学的成果对天体物理学、等离子体和激光物理学有着极重要的意义。光谱学在应用领域中的迅速发展,对医学、环保、化工和能源研究等都有显着的影响; 特别是电子和激光光谱学技术大大挖掘了光谱学的分析潜力。

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