簡介 分子光譜學 Molecular Spectroscopy：An Introduction

化學原理啟迪375

1. 光譜學是研究物質電磁輻射交互作用的一門學問。光譜技術能夠在不破壞物質結構的前提下，敏銳地偵測出物質的種類、結構與性質。

Glenn Gould-J.S. Bach-Piano Concerto No.7-BWV1058 (HD)

2.  從氫原子放射光譜，我們知道圍繞氫原子核的電子其能階是量化的。在研究分子方面，光譜學也是十分有用的。分子會吸收電磁輻射，分子系統裡的電子得到能量後，在量化的能階之間做各種不同的移動。

3.  舉例來說，分子吸收一個光子，會使得分子從「低能量電子態lower electronic energy state」改為進入「高能量電子態higher electronic energy state」，或者相反，分子吐出一個光子，其電子從「高能量電子態」改為進入「低能量電子態」。

4.     以上所說的「電子轉移electronic transition」，更清楚的描述是分子的電子從一種排列組合變為另一種排列組合。基本上，分子要進行電子轉移，需要灌注紫外線與可見光的光子。

5.     除子電子轉移，分子也會用振動與旋轉的方式將吸收的能量移轉成化學鍵的運動。

6.  舉例來說，當分子的原子群吸收能量後會在平衡位置的特定範圍內振動；分子系統內的原子們的振動的空間範圍，等於灌注到分子身上的電磁光譜紅外線區域的光子群的能量，由此可見，分子系統內的原子們有量化的振動能階。

7.  分子也會旋轉，並且有量化的旋轉能階，分子旋轉的空間範圍，等於灌注到分子身上的電磁光譜微波區域的光子們的能量。事實上，微波爐烹煮的基本原理就是將食物裡的水分子在激態的旋轉能量轉移到其他分子。

8. 下圖為二種分子的電子態，一種是基態，另一種是激態，並且用紅線說明分子的振動能階，用藍線說明分子的旋轉能階：

9.   特別留意，每個電子能階都有一組量化的振動能階，每個振動能階有一組量化的旋轉能階。

10.光子各種不同高低的能量與分子交互作用的結果，有可能發生分子只用轉動來轉移能量rotation transition（旋轉能階改變，但是振動能階與電子態是一樣的），也可能發生分子用振動來轉移能量vibrational transition，並且伴隨發生轉動轉移能量rotational transition，如下圖：

11.第三種可能的情況是分子的電子態轉移，電子態轉移可能伴隨分子的振動與旋轉的改變，可能只有發生振動改變或旋轉單一項的改變。分子的結構與電子軌域結構這類細節會決定分子接收到光子能量後會產生哪一種轉移。

n    翻譯編寫Steven S. Zumdahl 《Chemical Principles》