12.3 : Spektroskopia molekularna: absorpcja i emisja

Cząsteczki posiadają dyskretne poziomy energii zwane stanami kwantowymi. W przeciwieństwie do atomów, które mają prostsze poziomy energii, cząsteczki posiadają dodatkowe poziomy energii obrotowej i wibracyjnej. Każdy poziom energii jest oddzielony przerwą energetyczną, przy czym przerwy między sąsiednimi poziomami elektronicznymi, wibracyjnymi i rotacyjnymi różnią się znacząco. Trzy rodzaje poziomów energii w cząsteczce dwuatomowej przedstawiono na rysunku 1.

Rysunek 1: Trzy rodzaje poziomów energii w cząsteczce dwuatomowej.

Cząsteczka może absorbować energię w postaci fotonu z promieniowania elektromagnetycznego i wykorzystywać tę energię do wzbudzenia cząsteczki do wyższego stanu energetycznego. Podczas tego procesu mogą wystąpić zmiany w obrocie wokół wiązania, częstotliwości drgań wiązania lub przejściu elektronu ze stanu podstawowego (najniższy stan energetyczny) do stanu wzbudzonego (wyższy poziom energetyczny). Gdy cząsteczka w stanie wzbudzonym powraca do stanu podstawowego, emituje promieniowanie. Energia pochłoniętego lub wyemitowanego fotonu jest równoważna przerwie energetycznej między dwoma poziomami energetycznymi zaangażowanymi w przejście. Dlatego każde przejście jest zależne od długości fali lub częstotliwości promieniowania.

Ze względu na zmienną wielkość przerw energetycznych, długości fal promieniowania pochłoniętego podczas tych przejść są różne. Na przykład energia pobrana lub uwolniona podczas przejścia określonego obrotu w cząsteczce mieści się w zakresie promieniowania mikrofalowego. Natomiast energia promieniowania podczerwonego odpowiada zmianom wibracji wiązań. Ponadto fotony w zakresie UV–widzialnym mogą wzbudzić elektron do innego orbitalu, szczególnie w przypadku cząsteczek ze sprzężonymi wiązaniami podwójnymi.