12.3 : Molekularspektroskopie: Absorption und Emission

Moleküle besitzen diskrete Energieniveaus, die als Quantenzustände bezeichnet werden. Im Gegensatz zu Atomen, die einfachere Energieniveaus haben, besitzen Moleküle zusätzliche Rotations- und Schwingungsenergieniveaus. Jedes Energieniveau ist durch eine Energielücke getrennt, wobei die Lücken zwischen benachbarten elektronischen, Schwingungs- und Rotationsniveaus erheblich variieren. Die drei Arten von Energieniveaus in einem zweiatomigen Molekül sind in Abbildung 1 dargestellt.

Abbildung 1: Die drei Arten von Energieniveaus in einem zweiatomigen Molekül.

Ein Molekül kann Energie in Form eines Photons aus elektromagnetischer Strahlung absorbieren und diese Energie verwenden, um das Molekül in einen höheren Energiezustand anzuregen. Während dieses Prozesses können Änderungen in der Rotation um eine Bindung, der Frequenz der Bindungsschwingung oder dem Übergang eines Elektrons von seinem Grundzustand (dem niedrigsten Energiezustand) in einen angeregten Zustand (ein höheres Energieniveau) auftreten. Wenn das Molekül im angeregten Zustand in seinen Grundzustand zurückkehrt, sendet es Strahlung aus. Die Energie des absorbierten oder emittierten Photons entspricht der Energielücke zwischen den beiden am Übergang beteiligten Energieniveaus. Jeder Übergang ist daher von der Wellenlänge oder Frequenz der Strahlung abhängig.

Aufgrund der unterschiedlichen Größe der Energielücken unterscheiden sich die Wellenlängen der bei diesen Übergängen absorbierten Strahlung. Beispielsweise liegt die beim Übergang einer bestimmten Rotation in einem Molekül verbrauchte oder freigesetzte Energie im Bereich der Mikrowellenstrahlung. Im Gegensatz dazu entspricht die Energie der Infrarotstrahlung Änderungen der Bindungsschwingungen. Darüber hinaus können Photonen im UV-sichtbaren Bereich ein Elektron in ein anderes Orbital anregen, insbesondere bei Molekülen mit konjugierten Doppelbindungen.