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分子吸收光谱首页资讯法规技术质量检验标准资料仪器图库商城人才英语课堂专题网刊网址论坛当前位置：首页>>检验技术>>食品理化检验>>仪器分析>>正文分子吸收光谱一. 分子吸收光谱的产生（一）分子能级与电磁波谱分子中包含有原子和电子，分子、原子、电子都是运动着的物质，都具有能量，且都是量子化的。
在一定的条件下，分子处于一定的运动状态，物质分子内部运动状态有三种形式：①电子运动：电子绕原子核作相对运动；②原子运动：分子中原子或原子团在其平衡位置上作相对振动；③分子转动：整个分子绕其重心作旋转运动。
所以：分子的能量总和为E分子= Ee +Ev +Ej +⋯ (E0 +E平) (3)分子中各种不同运动状态都具有一定的能级。
三种能级：电子能级E（基态E1 与激发态E2）振动能级V= 0，1，2，3 ⋯转动能级J = 0，1，2，3 ⋯当分子吸收一个具有一定能量的光量子时，就有较低的能级基态能级E1 跃迁到较高的能级及激发态能级E2，被吸收光子的能量必须与分子跃迁前后的能量差∆E 恰好相等，否则不能被吸收。
图1 双原子分子的三种能级跃迁示意图对多数分子对应光子波长光谱∆E 约为1~20eV 1.25 ~ 0.06㎛ 紫外、可见区(电子)∆E 约为0.5~1eV 25 ~ 1.25㎛ (中)红外区(振动)∆E约为10-4~0.05eV 1.25cm~ 25㎛ （远）红外区(转动)分子的能级跃迁是分子总能量的改变。
当发生电子能级跃迁时，则同时伴随有振动能级和转动能级的改变，即“电子光谱”——均改变。
因此，分子的“电子光谱”是由许多线光谱聚集在一起的带光谱组成的谱带，称为“带状光谱”。
什么是光谱和能级？光谱和能级是描述原子和分子的重要概念，可以帮助我们理解物质的结构和性质。
一、光谱光谱是指将光分解成不同波长或频率的组成部分的过程。
它是由光通过物质时与物质相互作用而产生的。
光谱可以显示出不同波长或频率的光的强度和分布。
根据测量的参数不同，光谱可分为连续光谱、发射光谱和吸收光谱。
1. 连续光谱：连续光谱是由连续的波长或频率的光组成的，没有明显的间隔或断裂。
例如，太阳光就是一个连续光谱，它包含了从紫外线到红外线的所有波长范围。
2. 发射光谱：发射光谱是由物质在被激发后发射出来的光所形成的。
当原子或分子的能级被激发到高能态时，它们会通过发射光子的方式返回到低能态，从而产生一系列具有特定波长或频率的光。
这些特定的波长或频率对应于原子或分子的能级差。
3. 吸收光谱：吸收光谱是由物质吸收特定波长或频率的光而产生的。
当光通过物质时，物质中的原子或分子可以吸收光子，使得它们的能级发生跃迁。
吸收光谱显示了物质对不同波长或频率的光的吸收程度，可以用来研究物质的成分和结构。
光谱的研究在物理学、化学、天文学等领域具有广泛的应用。
通过分析光谱，我们可以了解物质的组成、结构、温度、速度等信息，从而推断物质的性质和行为。
二、能级能级是描述原子、分子或其他量子系统中粒子的能量状态的概念。
每个能级对应于系统的一个特定能量值。
原子或分子的能级是量子力学中的概念，它是由薛定谔方程的解决方案得到的。
原子或分子的能级通常是离散的，即只能取特定的能量值。
每个能级可以容纳一定数量的电子或其他粒子，称为能级的占据数。
当粒子处于较低的能级时，系统的总能量较低；当粒子处于较高的能级时，系统的总能量较高。
原子或分子的能级之间存在能级差，当粒子从一个能级跃迁到另一个能级时，会吸收或发射特定波长或频率的光子。
这些能级差对应于光谱中的谱线，通过测量和分析这些谱线，我们可以了解原子或分子的能级结构和相应的能量转移过程。
能级的研究对于理解物质的光谱特性、化学反应、能量转换和激发态行为等具有重要意义。
分子光谱与分子能级
分子光谱与分子能级是研究分子结构特性和相互作用的重要工具。
分子光谱可以通过测量分子在不同能级之间跃迁时所发射或吸收的光的波长和强度来研究分子的能级结构。
分子能级则描述了分子内部电子和核子之间的能量差异。
分子光谱可以分为吸收光谱和发射光谱。
在吸收光谱中，分子吸收外部光源的能量，使分子内部电子跃迁到高能级，从而产生特定的吸收波长。
而在发射光谱中，分子受激发后返回低能级，发射光子，其波长对应于分子内部电子跃迁的能级差异。
分子能级由分子的电子、核自旋和核振动等量子态组成。
例如，电子能级描述了分子内部电子的能量级别，通过激发或跃迁这些能级可以得到吸收或发射的光谱。
核自旋存在于具有奇数个质子或中子的核上，可以产生核磁共振谱。
分子的振动能级则描述了分子中原子核振动的能量级别，以红外光谱来研究。
分子光谱与分子能级研究在化学、物理、生物等领域具有广泛的应用。
例如，通过分析分子的光谱可以确定分子的结构、化学键的强度和长度等信息，并且可以用于分子的光谱识别和检测。
此外，分子光谱还可以用于研究光合作用、荧光、激光等特性，以及在材料科学和环境监测中的应用。
因此，分子光谱与分子能级的研究对于深入理解分子的性质和相互作用至关重要。
第九章分子光谱和分子结构前面我们从原子光谱、原子磁性了解了原子的结构，但在生产实践和生活中接触的物体极少是孤立的原子，往往是由原子结合而成的分子或分子集团，它是物质结构的一个重要层次．本章将简要介绍分子光谱和分子结构．§9.1 分子光谱和分子能级一、分子与化学键分子由原子组成，原子通过它们间的相互作用而结合在一起．而分子中相邻原子间存在的各种不同形式的相互作用称为化学键．化学键的力是电性质的，它只与原子的外层电子有关，与原子的内层电子关系较少．这是因为各元素的物理、化学性质的周期性由最外层电子的运动决定；而且较重元素的标识X射线不因该元素所在化合物而不同．内层电子在分子中和孤立原子中几乎一样，但价电子则大不相同．原子价电子间不同的结合会形成不同的化学键，常见的二类化学键是离子键和共价键，一般还有金属键和Van der Waals键． 1.离子键当电离能很小的金属原子(如碱金属和碱土金属原子价电子易脱落)和电子亲合能很大的非金属原子(如卤族原子和氧族非金属原子容易吸往电子)非常接近时，前者失去价电子而成为正离子，后者获得前者失去的电子而成为负离子，正负离子由于Coulomb力相互吸引结合成分子；但当二离子由于运动惯性而过分接近时，它们的外层电子相互排斥的力变得显著，表现为离子间的互斥力．当引力和斥力相等时，就形成稳定的分子．这种化学键称为离子键．如NaCl分子是由Na+离子与Cl-离子组成的离子键分子．Na是碱金属元素，具有较小的电离能5.14eV，电离过程为Na + 5.14eV →Na+ + e-Cl是卤族元素，Cl原子最外层在3p上有5个电子，再得到一个就构成稳定的闭合壳层，所以吸收一个电子形成Cl -离子是放能过程，这个能量称为亲合能，Cl-的亲合能为3.72eV ，此过程为Cl + e - →Cl - + 3.72eV上述两过程共增能5.14eV －3.72eV ＝1.42eV ．虽然Na 、Cl 原子形成Na +、Cl -离子后能量增加了，但当它们相互接近时，由于正负离子的电荷将引起Coulomb 吸引位能，因此Na +、Cl -离子体系能量有可能小于Na 、Cl 原子体系的能量．ٛ 图9-1中的两条曲线分别表示离子和原子体系的位能变化．选Na 原子和Cl 原子相距无穷远时的位能为零点能，横坐标表示两离子或原子间距离，可以看到当距离小于某一数值后，离子间的位能将小于原子间的位能．ٛNa +、Cl -离子体系的位能曲线有一极小值，这是由于距离小到一定值后，两带正电原子核的Coulomb 斥力位能迅速增加，距离越小，此能量越大．位能曲线最低点对应的距离以r 0表示，称平衡距离．如NaCl 分子的r 0=2.51Å，其位能为-3.58eV ．作用力方向总是指向位能减小的方向．当r ＞r 0时，位能曲线斜率为正，作用力使离子间距离减小，为吸引力；当r ＜r 0时，位能曲线斜率为负，作用力使距离增加，为斥力；当r = r 0时，位能曲线斜率为零，作用力亦为零，所以Na+、Cl-离子有可能在r 0附近振动，形成稳定的NaCl 分子．图9-1 NaCl分子的位能曲线2.共价键许多由两个相同原子组成的双原子分子和绝大多数有机化合物的分子不是由离子组成的，它们的化学键不再是离子键．它们有一对或多对电子为两个原子共有，内层电子仍然属于原来的原子．这类分子称为共价键分子或称原子键，同极键分子．如两个氢原子靠近时，每个氢原子中电子的状态都将重新分布，使系统处于能量最低的状态，这时两个电子起着连结两个原子的作用，为两个核所共有．从量子力学分析而知这一对组成共价键的电子自旋必是反平行的．一般地说，原子外层电子中，有未组成自旋相反的电子对的电子，就有可能与其它原子中未组成电子对的电子结合成共价键．如氢原子只有一个外层电子，显然在原子中不可能与其它电子组成自旋相反的电子对，这个电子就有可能与另一氢原子中同样的电子结合成共价键．锂原子有3个电子，而2s 态的外层电子未能与其它电子组成自旋相反的电子对，因此能与另一锂原子中的2s 电子组成共价单键，成为锂的双原子分子．如果两个原子各有两个或三个未成对的电子，则俩俩配对可构成共价双键或三键．共价键构成的分子可分为两类．第一类是无极分子，它由同类原子构成．如H 2、O 2等，分子内键电子分布对称，正负电荷“重心”重合，因而分子不具有电偶极矩．另一类是有极分子，由不同类原子组成．如HCl ，两种原子对电子的亲合力不同，分子内键电子的分布不对称，正负电荷“重心”不重合，分子具有电偶极矩． 图9-2 分子带光谱二、分子光谱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如图9-2所示．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．ٛ三、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．ٛ1.分子的转动和转动能级即将分子看作一个整体绕某轴而转动．对于双原子分子，其转动轴通过分子的质心并垂直于分子轴(原子核间的联线)．转动能量是量子化的，因而形成转动能级．转动能级的间隔约10-4～10-2eV．ٛ2.分子的振动和振动能级即组成分子的各原子在其平衡位置附近所做的微小振动．如双原子分子沿着轴线振动．与振动相联系的能量称为分子的振动能．振动能量也是量子化的，因而形成振动能级．振动能级间隔约10-1eV．3.分子中的电子运动和电子能级ٛ分子中外层电子的运动形成一些定态，电子在定态间跃迁运动．这些定态各具有一定能量，也就形成了电子的能级．当分子的电子能级间产生跃迁就产生光谱．电子能级间隔约为eV量级．ٛ若用E转、E振、E电分别代表上述三种运动状态的能量，分子能量可表示为E = E转 + E振 + E电(9-1)这三种能量的变化满足Δ>Δ>ΔE E E(9-2)振电转这样，在电子能级之上可以有较小间隔的振动能级；在振动能级之上又可以有更小间隔的转动能级．这些关系如图9-3所示，图中表示了振动能级和转动能级的特点，一组振动能级的间隔随能级的上升而减小；一组转动能级的间隔随着能级的上升而增加．由于分子能级的复杂结构，从而使分子光谱比原子光谱更复杂．图9-3 双原子分子能级示意图§9.2 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，则辐射仅由分子的转动状态的改变而引起．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．一、分子的转动能级假设分子是刚性分子．由于刚性分子不改变原子核间相对距离，所以它的转动是一个纯粹的转动，此简化模型忽略了振动对转动的影响．对双原子分子，其转动轴是通过质心而垂直于联接二原子核的直线的．分子的转动惯量ٛ (9-3) 2r I μ=其中1212m m m m μ=+是折合质量，r 是两原子核间的距离，如图9-4所示．对刚性分子r 是常数．若分子的转动角动量为P J ．据经典力学，分子的转动动能IP I E J J 22122==ω (9-4) 其中P J ＝I ω，因为转动是自由的，所以势能为零，而体系总能量就等于转动动能．分子是微观粒子，它的角动量是量子化的，即=)1(+=J J P J ⋅⋅⋅=，，，，3210J (9-5)图9-4 刚性双原子分子的转动 J 称为转动量子数．代入(9-4) 式可得转动能级)1(22+=J J I E J = (9-6)由此所得能级图如图9-5所示．相邻二转动能级的间距ٛ)1(21+=−=Δ+J J IE E E J J J = (9-7)图9-5 双原子分子转动能级 可见转动能级的分布不是等间距的，J 越大，间隔也越大．ٛٛ二、分子的转动光谱实验和理论都证明转动能级间的跃迁须服从电偶极跃迁选择定则ٛ 1±=ΔJ (9-8)ΔJ ＝＋1相当于吸收过程，ΔJ ＝-1相当于发射过程．当从能级J ＋1跃迁到能级J 的辐射频率12(1)2(14J J J J E E E h v J h h Iπ+)B J Δ−===+=+ (9-9)其中I hB 28π=称为转动常数.以波数表示2(1)Jv B J =+ B (9-10) 相邻二谱线间的波数差。
分子光谱学与能级图分子光谱学是研究分子物质在电磁辐射作用下的光谱现象的学科，是物理学、化学和光学的交叉学科。
通过分子光谱学的研究，我们可以了解分子物质的结构、能级分布以及分子间相互作用等重要信息。
在分子光谱学中，能级图是一种重要的图示工具，用于描述分子中的电子能级结构和转换过程。
本文将首先介绍分子光谱学的基本原理，然后探讨能级图的应用。
一、分子光谱学的基本原理分子光谱学主要研究分子与电磁辐射相互作用引起的光谱现象，主要包括吸收、发射和散射光谱。
吸收光谱研究分子在外界电磁场作用下通过吸收特定波长的光子而发生能级跃迁的现象；发射光谱研究分子在受激发后通过发射光子返回低能级的过程；散射光谱则研究分子对入射光的散射现象。
分子光谱学的基本原理可以用量子力学和电磁理论解释。
分子在各种电磁辐射作用下，如可见光、紫外线、红外线和微波等波长范围内，会发生能级跃迁和光子的转换。
这些能级跃迁和光子转换的过程可以通过能级图来描述。
二、能级图的应用能级图是直观表示分子中电子能级结构和电子转换过程的图示工具，可以帮助我们理解分子的性质和现象。
下面介绍几种常用的能级图及其应用。
1. 分子电子能级图分子电子能级图描述了分子中不同电子能级的相对位置和能量差。
电子能级图可以帮助我们理解分子的激发态和基态、不同电子态之间的跃迁以及能级间的相互作用。
通过研究电子能级图，可以推断分子的光谱特性，如吸收和发射波长，从而实现分子结构的确定。
2. 简谐振子能级图简谐振子能级图用于描述分子中原子核和电子之间的振动能级。
由于分子中的原子核和电子之间存在一个势能能阱，使得分子在振动时行为类似于一个简谐振子。
简谐振子能级图可以帮助我们理解分子振动的频率和能量，进而解释分子在红外光谱中的吸收峰。
3. 粒子间跃迁能级图分子中的粒子间跃迁能级图用于描述电子间、轨道间或旋转间的跃迁过程。
这些能级图可以帮助我们理解分子各种光谱现象，如电子跃迁引起的吸收光谱、电子自旋共振引起的核磁共振光谱等。
