分子分光法

分子分光法は、分子が電磁放射を吸収、放出、または散乱する様子を測定することにより、分子の量子化されたエネルギー準位を調査し、その構造、結合、およびダイナミクスを明らかにします。

Definition

分子分光法は、分子のエネルギー準位、構造、およびダイナミクスを決定するために、分子による電磁放射の吸収、放出、および散乱を研究する物理化学の一分野です。

Scope

この分野は、電磁スペクトル全体にわたる放射と物質の相互作用を扱います。具体的には、マイクロ波および赤外領域における回転分光法および振動分光法（ラマン散乱を含む）、紫外および可視領域における電子分光法（蛍光および光電子法を含む）、核および電子の磁気共鳴分光法、ならびにレーザーベースおよび時間分解技術が含まれます。選択則、スペクトル線の位置と強度、およびスペクトルと分子定数との関連性を展開し、分子構造の根底にある量子論は量子化学で扱われます。

Sub-topics

• Electronic Spectroscopy
• Laser and Time-Resolved Spectroscopy
• Magnetic Resonance Spectroscopy
• Rotational and Vibrational Spectroscopy

Core questions

• 量子化された分子エネルギー準位間の遷移は、どのようにスペクトル線を生じさせるのか？
• どの遷移が許容されるかを支配する選択則は何か？
• 分子構造と分子定数は、スペクトルからどのように抽出されるのか？
• 異なる分光領域は、回転、振動、電子、およびスピン状態をどのように調査するのか？

Key concepts

• 量子化されたエネルギー準位と遷移
• 選択則
• 線の位置、強度、および幅
• 吸収、放出、および散乱
• スペクトル領域と電磁スペクトル

Key theories

共鳴吸収と放出

分子は、その周波数が2つの量子化されたエネルギー準位間のギャップと一致するときに光子を吸収または放出するため、スペクトル線のパターンは分子の回転、振動、および電子の準位構造に直接対応します。

遷移モーメントからの選択則

遷移が観測されるかどうかは、遷移双極子モーメントと関与する状態の対称性に依存し、どの線が現れ、その強度がどの程度であるかを決定する選択則を与えます。

Clinical relevance

分子分光法は、化学分析および構造決定のための主要なツールキットであり、赤外およびラマンフィンガープリンティング、紫外可視定量、核磁気共鳴による構造解析および医用画像、ならびに大気および天文学的源のリモートセンシングの基礎となっています。

History

分子分光法は、19世紀のスペクトル線の研究と、バンドスペクトルの初期の量子論的解釈から発展しました。ヘルツベルクによる分子スペクトルの体系的な研究、1928年のラマンによる非弾性散乱の発見、および磁気共鳴法とレーザー法の開発により、包括的な分析科学へと構築されました。

Key figures

• Gerhard Herzberg
• C. V. Raman
• Felix Bloch

Seminal works

• atkins2018
• hollas2004
• banwell1994

Frequently asked questions

なぜ異なる分光法は電磁スペクトルの異なる領域を使用するのですか？

各領域は、特定の種類の分子運動のエネルギー間隔に一致します。マイクロ波は回転を励起し、赤外線は振動を励起し、紫外線および可視光は電子を励起し、電波は磁場中で核または電子のスピンを反転させます。

分子遷移が許容または禁制となるのはなぜですか？

遷移双極子モーメントと状態の対称性から導かれる選択則は、放射が2つの準位を結合できるかどうかを決定します。許容遷移は強い線を与え、禁制遷移は対称性が破られない限り弱いか、または現れません。