12.3 : Молекулярная спектроскопия: поглощение и испускание

Молекулы обладают дискретными уровнями энергии, называемыми квантовыми состояниями. В отличие от атомов, которые имеют более простые уровни энергии, молекулы обладают дополнительными вращательными и колебательными уровнями энергии. Каждый уровень энергии разделён энергетической щелью, причем щели между соседними электронными, колебательными и вращательными уровнями значительно различаются. Три типа уровней энергии в двухатомной молекуле показаны на рисунке 1.

Рисунок 1: Три типа уровней энергии в двухатомной молекуле.

Молекула может поглощать энергию в форме фотона из электромагнитного излучения и использовать эту энергию для возбуждения молекулы до более высокого энергетического состояния. Во время этого процесса могут происходить изменения во вращении вокруг связи, частоте колебания связи или переходе электрона из его основного состояния (самое низкое энергетическое состояние) в возбужденное состояние (более высокий энергетический уровень). Когда возбужденная молекула возвращается в свое основное состояние, она испускает излучение. Энергия поглощенного или испущенного фотона эквивалентна энергетической щели между двумя уровнями энергии, участвующими в переходе. Поэтому каждый переход зависит от длины волны или частоты излучения.

Из-за различных величин энергетических щелей длины волн излучения, поглощаемого во время этих переходов, различаются. Например, энергия, потребляемая или высвобождаемая во время перехода определенного вращения в молекуле, находится в диапазоне микроволнового излучения. Напротив, энергия инфракрасного излучения соответствует изменениям в колебаниях связей. Кроме того, фотоны в УФ-видимом диапазоне могут возбуждать электрон на другую орбиталь, особенно в случае молекул с сопряженными двойными связями.