分子光谱学

分子光谱学通过测量分子如何吸收、发射或散射电磁辐射来探测其量子化的能级，从而揭示分子的结构、键合和动力学。

Definition

分子光谱学是物理化学的一个分支，它研究分子对电磁辐射的吸收、发射和散射，以确定其能级、结构和动力学。

Scope

该领域涵盖了辐射与物质在整个电磁波谱中的相互作用：微波和红外区域的转动和振动光谱学，包括拉曼散射；紫外和可见光区域的电子光谱学，以及荧光和光电子方法；原子核和电子的磁共振光谱学；以及基于激光和时间分辨的技术。它发展了选择定则、谱线位置和强度，以及光谱与分子常数之间的联系，而分子结构的基础量子理论则在量子化学中进行处理。

Sub-topics

• 电子光谱学
• 激光和时间分辨光谱学
• 磁共振波谱学
• 转动光谱和振动光谱

Core questions

• 量子化的分子能级之间的跃迁如何产生谱线？
• 哪些选择定则决定了哪些跃迁是允许的？
• 如何从光谱中提取分子结构和常数？
• 不同的光谱区域如何探测转动、振动、电子和自旋态？

Key concepts

• 量子化能级和跃迁
• 选择定则
• 谱线位置、强度和宽度
• 吸收、发射和散射
• 光谱区域和电磁波谱

Key theories

共振吸收和发射

当分子的频率与两个量子化能级之间的能量差匹配时，分子会吸收或发射光子，因此谱线模式直接映射到分子的转动、振动和电子能级结构。

跃迁偶极矩的选择定则

跃迁是否被观测到取决于跃迁偶极矩和所涉及态的对称性，从而产生选择定则，决定哪些谱线出现以及它们的强度如何。

Clinical relevance

分子光谱学是化学分析和结构确定的主要工具包，支撑着红外和拉曼指纹识别、紫外-可见定量分析、核磁共振结构解析和医学成像，以及大气和天体源的遥感。

History

分子光谱学起源于19世纪对谱线的研究和早期对带状光谱的量子解释；赫茨伯格（Herzberg）对分子光谱的系统性工作、拉曼（Raman）于1928年发现非弹性散射，以及磁共振和激光方法的发展，使其成为一门综合性分析科学。

Key figures

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

Seminal works

• atkins2018
• hollas2004
• banwell1994

Frequently asked questions

为什么不同的光谱学使用电磁波谱的不同区域？

每个区域都与特定分子运动的能量间隔相匹配：微波激发转动，红外激发振动，紫外和可见光激发电子，射频在磁场中翻转原子核或电子自旋。

什么使分子跃迁允许或禁戒？

源自跃迁偶极矩和态对称性的选择定则决定了辐射是否能耦合两个能级；允许的跃迁产生强谱线，而禁戒跃迁则很弱或不存在，除非对称性被破坏。