【中華百科全書●科學●分子紅外線光譜】

楊籍富

【中華百科全書●科學●分子紅外線光譜】

 

紅外線是指波長約700mm.～20000mm.部分。

 

外紅外線波長更大，約20000mm.～100000mm.之間。

 

分子的紅外線多由分子的振動而產生，而外紅外線是因為轉動能階的躍遷。

 

光譜線的頻率可用波爾定律來計算：(見方程式1)。

 

此中Ei和Ef是躍遷前後能階的能量h是薄朗克常數。

 

假若Ef比Ei大，稱為吸收光譜，相反的稱為放射光譜。

 

雙原子的分子﹝如一氧化碳CO﹞的振動能階結構比較簡單；

 

祇有一個簡正振動方式﹝ModeofVibration﹞﹝圖一﹞。

 

振動方向平行於分子軸，因而產生一個電偶極子﹝ElectricDipole﹞。

 

圖二表示兩原子間的距離與位能的關係。

 

圖中所示的曲線的下半部與拋物線近似，其運動稱為簡諧運動。

 

其能量是：(見方程式2)，n是從零算起的正整數，稱為量子數，v是振動頻率。

 

簡諧運動電偶極子放射或吸收的選擇定則是(見方程式3)即是說躍遷後，能階只可以升高或下降一級。

 

圖二中能階分隔隨n增大而縮小，這是因為非簡諧性的修正﹝可以用Morse位能來計算﹞。

 

假若把此修正一併算進去，△n可以大於一。

 

因為轉動能階分隔遠較振動的為窄，很多轉動能可以同時被激發。

 

其選擇定則是△J＝±1，J是轉動量子數，也是從零算起的正整數。

 

圖三所示是典型的雙原子分子的紅外線光譜，其中見△J＝－1的稱為P支譜，見△J＝＋1的稱為R支譜。

 

多原子的分子振動比較複雜，可以具有多個獨立的簡正振動方式。

 

每個方式有其特有的頻率，而且可以同數被激發。

 

圖四顯示線性分布的三原子分子﹝如CO2﹞的四個獨立簡正振動態。

 

其中圖四(b)不產生電偶極子。

 

圖四(c)表示兩個簡併性﹝Degenerate﹞振動，虛線與實線代表在兩個互相垂直的平面上振動。

 

此種振動都可以在垂直於分子軸的方向上產生電偶極子，其選擇定則是△J＝0或±1。

 

△J＝0的譜線稱為Q支譜。

 

上述的是紅外線光譜的一般情況，複雜的分子不在討論範圍之內。

 

(吳義雄)

 

引用：http://ap6.pccu.edu.tw/Encyclopedia/data.asp?id=9643