分子光谱学
分子光谱学研究分子如何吸收、发射和散射电磁辐射，揭示其在从微波到紫外线整个光谱范围内的结构、能级和动力学。
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Definition
分子光谱学是对分子与光相互作用的波长和强度进行测量和解释的学科，用于确定分子能级、几何结构以及控制旋转、振动和电子态之间跃迁的规则。
Scope
该领域涵盖按所涉及跃迁类型划分的分子光谱学：微波区的纯旋转光谱、红外区的振动和转动-振动光谱、由弗兰克-康登原理控制的可见光和紫外区的电子带光谱，以及非弹性拉曼散射。它涉及选择定则、谱带结构以及如何通过光谱反演获得键长和力常数等分子常数。
Sub-topics
Core questions
- 为了吸收或发射辐射，分子必须改变什么性质？
- 旋转、振动和电子跃迁如何占据不同的光谱区域？
- 什么选择定则控制着分子光谱，谱带揭示了哪些结构信息？
- 拉曼散射如何补充吸收光谱学？
Key concepts
- 偶极和极化率选择定则
- 微波、红外和紫外-可见光区
- 谱带结构和分支
- 弗兰克-康登原理
- 拉曼和瑞利散射
- 分子常数的光谱测定
Key theories
- 转动-振动光谱学
- 当分子具有变化的偶极矩时，旋转和振动能级之间的跃迁是允许的，产生微波和红外光谱，其谱线位置可得到旋转常数、键长和振动频率。
- 电子光谱和弗兰克-康登原理
- 电子跃迁在可见光和紫外光区产生谱带系统，其振动强度分布受弗兰克-康登原理控制，反映了两个电子态中振动波函数的重叠。
- 拉曼散射
- 光的非弹性散射通过分子振动或旋转量子改变光子能量，受极化率变化的控制，从而可以探测在普通红外吸收中可能不活跃的跃迁。
Clinical relevance
分子光谱学是化学分析和遥感的主力：红外和拉曼光谱可用于化合物的指纹识别和反应监测，微波光谱和紫外-可见光波段可识别大气和星际空间中的痕量物质，这些技术是环境和制药质量控制的基础。
History
分子带光谱在量子力学能够解释它们之前就已经被编目；20世纪20年代末的新理论，连同弗兰克-康登原理和拉曼1928年发现的非弹性散射，将光谱学转变为定量的分子结构测定。赫茨伯格在20世纪中叶的汇编整理了该领域，激光光源随后极大地提高了其灵敏度和分辨率。
Key figures
- Gerhard Herzberg
- Chandrasekhara Venkata Raman
- James Franck
- Edward Condon
Related topics
Seminal works
- herzberg1950
- atkins2011
- hollas2004
Frequently asked questions
- 为什么不同类型的分子跃迁会出现在光谱的不同部分？
- 旋转能级间距最小（微波），振动能级间距居中（红外），电子能级间距最大（可见光和紫外光）。因此，每种类型的跃迁都在特征光谱区域吸收或发射。
- 没有永久偶极矩的分子能有光谱吗？
- 它可能没有纯旋转微波光谱，但如果振动产生变化的偶极，它仍然可能具有红外活性，并且像N₂这样的同核分子在振动过程中极化率会发生变化，因此仍然具有拉曼活性。