Molekülspektroskopie
Die Molekülspektroskopie untersucht, wie Moleküle elektromagnetische Strahlung absorbieren, emittieren und streuen, wodurch ihre Struktur, Energieniveaus und Dynamik über das Spektrum von Mikrowellen bis zum Ultraviolett aufgedeckt werden.
Definition
Molekülspektroskopie ist die Messung und Interpretation der Wellenlängen und Intensitäten, bei denen Moleküle mit Licht wechselwirken, um molekulare Energieniveaus, Geometrien und die Regeln für Übergänge zwischen Rotations-, Vibrations- und Elektronenzuständen zu bestimmen.
Scope
Dieser Bereich umfasst die Spektroskopie von Molekülen, geordnet nach der Art des beteiligten Übergangs: reine Rotationsspektren im Mikrowellenbereich, Vibrations- und Rotations-Vibrationsspektren im Infrarot, elektronische Bandenspektren im sichtbaren und ultravioletten Bereich, die durch das Franck-Condon-Prinzip bestimmt werden, und inelastische Raman-Streuung. Es werden Auswahlregeln, Bandenstruktur und die Inversion von Spektren zur Bestimmung molekularer Konstanten wie Bindungslängen und Kraftkonstanten behandelt.
Sub-topics
Core questions
- Welche molekulare Eigenschaft muss sich ändern, damit ein Übergang Strahlung absorbiert oder emittiert?
- Wie besetzen Rotations-, Vibrations- und elektronische Übergänge verschiedene Spektralbereiche?
- Welche Auswahlregeln bestimmen molekulare Spektren, und was verraten Banden über die Struktur?
- Wie ergänzt die Raman-Streuung die Absorptionsspektroskopie?
Key concepts
- Dipol- und Polarisierbarkeits-Auswahlregeln
- Mikrowellen-, Infrarot- und Ultraviolett-Sichtbar-Bereiche
- Bandenstruktur und Zweige
- Franck-Condon-Prinzip
- Raman- und Rayleigh-Streuung
- Spektroskopische Bestimmung molekularer Konstanten
Key theories
- Rotations-Vibrations-Spektroskopie
- Übergänge zwischen Rotations- und Vibrationsniveaus, die erlaubt sind, wenn das Molekül ein sich änderndes Dipolmoment aufweist, erzeugen Mikrowellen- und Infrarotspektren, deren Linienpositionen Rotationskonstanten, Bindungslängen und Vibrationsfrequenzen ergeben.
- Elektronische Spektren und das Franck-Condon-Prinzip
- Elektronische Übergänge erzeugen Bandensysteme im sichtbaren und ultravioletten Bereich, deren Vibrationsintensitätsverteilung durch das Franck-Condon-Prinzip bestimmt wird, was die Überlappung der Vibrationswellenfunktionen in den beiden elektronischen Zuständen widerspiegelt.
- Raman-Streuung
- Die inelastische Streuung von Licht verschiebt die Photonenenergie um ein molekulares Vibrations- oder Rotationsquant, gesteuert durch eine Änderung der Polarisierbarkeit, wodurch Übergänge zugänglich werden, die bei gewöhnlicher Infrarotabsorption inaktiv sein können.
Clinical relevance
Die Molekülspektroskopie ist das Arbeitspferd der chemischen Analyse und Fernerkundung: Infrarot- und Raman-Spektren identifizieren Verbindungen und überwachen Reaktionen, Mikrowellenspektren und Ultraviolett-Sichtbar-Banden identifizieren Spurenstoffe in der Atmosphäre und im interstellaren Raum, und die Techniken bilden die Grundlage für die Umwelt- und pharmazeutische Qualitätskontrolle.
History
Molekulare Bandenspektren wurden katalogisiert, bevor die Quantenmechanik sie erklären konnte; die neue Theorie in den späten 1920er Jahren, zusammen mit dem Franck-Condon-Prinzip und Ramans Entdeckung der inelastischen Streuung im Jahr 1928, verwandelte die Spektroskopie in eine quantitative Molekülstrukturbestimmung. Herzbergs Kompendien aus der Mitte des Jahrhunderts kodifizierten das Feld, und Laserquellen verbesserten später deren Empfindlichkeit und Auflösung.
Key figures
- Gerhard Herzberg
- Chandrasekhara Venkata Raman
- James Franck
- Edward Condon
Related topics
Seminal works
- herzberg1950
- atkins2011
- hollas2004
Frequently asked questions
- Warum erscheinen verschiedene Arten molekularer Übergänge in unterschiedlichen Spektralbereichen?
- Rotationsenergieabstände sind am kleinsten (Mikrowellen), Vibrationsabstände sind intermediär (Infrarot), und elektronische Abstände sind am größten (sichtbar und ultraviolett). Jede Art von Übergang absorbiert oder emittiert daher in einem charakteristischen Spektralbereich.
- Kann ein Molekül ohne permanentes Dipolmoment ein Spektrum aufweisen?
- Es kann kein reines Rotations-Mikrowellenspektrum aufweisen, aber es kann dennoch infrarotaktiv sein, wenn eine Vibration ein sich änderndes Dipolmoment erzeugt, und homonukleare Moleküle wie N₂ bleiben Raman-aktiv, weil sich ihre Polarisierbarkeit während der Vibration ändert.