紅外線光譜（一）

紅外線光譜(infrared spectroscopy) （一）
國立臺灣師範大學化學系碩士班 翁于婷

空氣中充滿著各式各樣的電磁波，有人類眼睛可見的可見光 (visible)、微波爐使用的微波 (microwave)、還有用於醫學診斷的 X-ray 等等（圖一），其中波長介於可見光波和微波，和人類最息息相關的電磁波就是是紅外線 (infrared)，紅外線波長約 700 nm – 1 mm，由英國皇家學院的威廉‧赫歇爾 (William Herschel) 發現，他透過三菱鏡散色太陽光，發現在紅光之外還有一種具有熱效應但不可見的延伸光譜，利用溫度計測量由紫光到紅光的溫度，可見溫度逐漸升高，當溫度計放置紅光以外的區域，溫度仍持續上升，因而判定有紅外線的存在。

圖一\(~~~\)電磁波光譜（來源：參考資料1）

紅外線光譜是分子和紅外線交互作用產生出的分析方法，常用於有機化學和無機化學，主要目的是讓科學家有效判斷待測分子具有哪些特殊的官能基團。其原理是利用分子內同一個電子能階中，不同的振動能階轉移。

換言之，在一個分子內，當電子被激發，改變了電子雲的分布，產生了分子偶極矩 (dipole moment) 的改變，就會釋放能量，此能量頻率就和紅外線頻率相同；反之，有相同振動頻率的紅外線，也可以誘使分子進行相同頻率的振動^[2]。

舉例，氯化氫和氯氣，一個是極性分子一個是非極性的對稱分子，氯的電子密度比氫還要高出許多，所以氯化氫就有偶極矩的產生，就像彈簧一樣，它們有規律的振動，產生了一個可以和輻射電場相互作用的一個力場，如果和輻射電場頻率和振動頻率相同，就會有能量轉移的現象，造成分子的振動振幅改變。

將分子可以看成彈簧兩端繫有不同質量的球體，球體是原子，彈簧是化學鍵；分子的振動有兩種形式：第一種是伸縮 (stretching) 振動，原子在鍵軸上移動，兩原子距離增加或減少，鍵角不變，只變鍵長；第二種是彎曲 (bending) 振動，鍵長不變，鍵角改變的運動，常見的基本振動如圖二所示。

圖二\(~~~\)分子振動 （來源：作者繪製）

從上圖可以看出，每種不同的振動模式都發生於特定的量子化頻率。當同一頻率的紅外線照射到分子上，能量被分子所吸收，增加分子的振動振幅，當分子從激發態 (excited state) 退回到原本的基態 (ground state) 時，就會以熱能的形式釋放出吸收到的能量。

紅外線光譜的吸收形式是利用振動能量的改變，我們可以由物理學來推論，基本的振動頻率計算公式為：

\(\displaystyle v=\frac{1}{2\pi c}\sqrt{\frac{K}{\mu}}\)

\(c\) 是光速，\(K\) 是化學鍵結力常數，\(\mu\) 是相對原子質量，因此由上述方程是可以得知，振動頻率決定於 \(K\) 和 \(\mu\)，紅外線光譜吸收頻率應用在實際原子鍵結來看：

1. 化學鍵結力常數：三鍵相對電子密度和電子吸引力都大於單鍵的鍵結，所以鍵級增加，常數增加，振動頻率變大。
   
2. 原子的相對質量：原子相對質量增加，會導致振動頻率變小。
   
3. 分子的幾何關係：周圍基團的電負度也會造成影響，基團電負度越高，代表電子越集中在電負度高的原子，導致原子相對質量減少，共振頻率增加。
   

連結：紅外線光譜（二）

參考文獻

1. 25 examples of infrared photography, 2015.02.25取自 “tuts+” — http://photography.tutsplus.com/articles/25-examples-of-infrared-photography–photo-714
2. Pavia, D., Lampman, G., Kriz, G., & Vyvyan, J. (2008). Introduction to spectroscopy. Cengage Learning, Chapter 2.