Phổ học phân tử
Phổ học phân tử nghiên cứu cách các phân tử hấp thụ, phát xạ và tán xạ bức xạ điện từ, tiết lộ cấu trúc, mức năng lượng và động lực học của chúng trên toàn bộ phổ từ vi sóng đến tử ngoại.
Definition
Phổ học phân tử là phép đo và giải thích các bước sóng và cường độ mà tại đó các phân tử tương tác với ánh sáng, được sử dụng để xác định mức năng lượng phân tử, hình học và các quy tắc chi phối các chuyển đổi giữa các trạng thái quay, dao động và điện tử.
Scope
Lĩnh vực này bao gồm phổ học của các phân tử được tổ chức theo loại chuyển đổi liên quan: phổ quay thuần túy trong vùng vi sóng, phổ dao động và quay-dao động trong vùng hồng ngoại, phổ dải điện tử trong vùng khả kiến và tử ngoại được điều chỉnh bởi nguyên lý Franck–Condon, và tán xạ Raman không đàn hồi. Nó đề cập đến các quy tắc chọn lọc, cấu trúc dải và cách phổ được đảo ngược để thu được các hằng số phân tử như độ dài liên kết và hằng số lực.
Sub-topics
Core questions
- Tính chất phân tử nào phải thay đổi để một chuyển đổi hấp thụ hoặc phát xạ bức xạ?
- Làm thế nào các chuyển đổi quay, dao động và điện tử chiếm các vùng phổ khác nhau?
- Những quy tắc chọn lọc nào chi phối phổ phân tử, và các dải tiết lộ điều gì về cấu trúc?
- Tán xạ Raman bổ sung cho phổ hấp thụ như thế nào?
Key concepts
- Các quy tắc chọn lọc lưỡng cực và độ phân cực
- Vùng vi sóng, hồng ngoại và tử ngoại-khả kiến
- Cấu trúc dải và các nhánh
- Nguyên lý Franck–Condon
- Tán xạ Raman và Rayleigh
- Xác định các hằng số phân tử bằng phổ học
Key theories
- Phổ học quay-dao động
- Các chuyển đổi giữa các mức quay và dao động, được phép khi phân tử có mômen lưỡng cực thay đổi, tạo ra phổ vi sóng và hồng ngoại mà vị trí các vạch cho ra các hằng số quay, độ dài liên kết và tần số dao động.
- Phổ điện tử và nguyên lý Franck–Condon
- Các chuyển đổi điện tử tạo ra các hệ dải trong vùng khả kiến và tử ngoại mà sự phân bố cường độ dao động của chúng được điều chỉnh bởi nguyên lý Franck–Condon, phản ánh sự chồng chéo của các hàm sóng dao động trong hai trạng thái điện tử.
- Tán xạ Raman
- Tán xạ ánh sáng không đàn hồi làm dịch chuyển năng lượng photon bởi một lượng tử dao động hoặc quay phân tử, được điều chỉnh bởi sự thay đổi độ phân cực, cho phép tiếp cận các chuyển đổi có thể không hoạt động trong hấp thụ hồng ngoại thông thường.
Clinical relevance
Phổ học phân tử là công cụ chính trong phân tích hóa học và viễn thám: phổ hồng ngoại và Raman nhận dạng các hợp chất và theo dõi các phản ứng, phổ vi sóng và các dải tử ngoại-khả kiến xác định các loài vết trong khí quyển và trong không gian giữa các vì sao, và các kỹ thuật này là nền tảng cho việc kiểm soát chất lượng môi trường và dược phẩm.
History
Các phổ dải phân tử đã được lập danh mục trước khi cơ học lượng tử có thể giải thích chúng; lý thuyết mới vào cuối những năm 1920, cùng với nguyên lý Franck–Condon và khám phá tán xạ không đàn hồi của Raman năm 1928, đã biến phổ học thành công cụ xác định cấu trúc phân tử định lượng. Các bộ sưu tập của Herzberg vào giữa thế kỷ đã hệ thống hóa lĩnh vực này, và các nguồn laser sau đó đã thay đổi độ nhạy và độ phân giải của nó.
Key figures
- Gerhard Herzberg
- Chandrasekhara Venkata Raman
- James Franck
- Edward Condon
Related topics
Seminal works
- herzberg1950
- atkins2011
- hollas2004
Frequently asked questions
- Tại sao các loại chuyển đổi phân tử khác nhau lại xuất hiện ở các phần khác nhau của phổ?
- Khoảng cách năng lượng quay là nhỏ nhất (vi sóng), khoảng cách dao động là trung bình (hồng ngoại), và khoảng cách điện tử là lớn nhất (khả kiến và tử ngoại). Do đó, mỗi loại chuyển đổi hấp thụ hoặc phát xạ trong một vùng phổ đặc trưng.
- Một phân tử không có mômen lưỡng cực vĩnh cửu có thể có phổ không?
- Nó có thể không có phổ vi sóng quay thuần túy, nhưng nó vẫn có thể hoạt động trong hồng ngoại nếu một dao động tạo ra một lưỡng cực thay đổi, và các phân tử đồng hạt nhân như N₂ vẫn hoạt động Raman vì độ phân cực của chúng thay đổi trong quá trình dao động.