当前课程知识点：现代材料分析方法 > 第三章 波谱分析 > 3.1 红外光谱概述与原理 > 红外光谱概述与原理
同学们好
我是张倩老师
来自哈尔滨工业大学（深圳）
从这节课开始我们一起来学习
红外吸收光谱分析技术
首先我们讲一下
红外光谱分析概论和基本原理
大家都知道在自然界中存在大量分子
这些分子并不是静止存在
而是在不断的运动
分子的运动分为移动
转动
振动和分子内的电子运动
分子的总能量由五部分组成
其中E0是分子内的能量
不随分子运动而改变
Et是分子动能
只是温度的函数
不产生光谱
我们研究的主要是剩下三部分能量
他们分别对应分子内的电子运动
分子的振动和转动
这里是一个简单的光谱区示意图
从左到右是从短波到长波
这部分是红外区间
其中
△Ee最大
在1～20eV之间
属于可见和紫外光谱区
对应电子光谱
△Ev比△Ee小10倍
在中红外区
对应振动光谱
△Er比△Ev小10倍或100倍
在远红外和微波区
对应转动光谱
可以看出
分子的振动能量比转动能量大
当发生振动能级跃迁时
不可避免地会伴随有转动能级的跃迁
所以无法测量纯粹的振动光谱
而只能得到分子的振 转动光谱
这种光谱称为红外吸收光谱
简写为IR
也就是说
红外光谱是一种分子吸收光谱
当样品受到频率连续变化的
红外光照射时
由于分子振动或转动运动
会引起偶极矩的净变化
因此当吸收某些频率的辐射时
会产生分子振动和转动能级
从基态到激发态的跃迁
这样
使相应于这些吸收区域的透射光
强度减弱
进而形成红外吸收光谱
那么
什么是偶极矩的净变化
分子又为什么会对
某些频率的光产生吸收呢
后面我们将会重点介绍
这就是一个典型的分子吸收光谱图
它记录了
红外光的百分透射比
与波长或波数关系曲线
横坐标为波长或者波数
纵坐标为红外光的百分透射比
图中红色曲线是吸收谱线
我们必须明确图里的四大要素
首先
为什么有些地方有峰
有些没有
即特定峰位产生的原因是什么
第二
峰数代表什么
峰的多少是否是随意的
第三
为什么有的峰强度大
有的峰弱
第四
峰的不同形状与什么有关
我们后面会在下节课依次介绍
红外光的波长范围
在0.75 m ~ 1000 m之间
他们所对应的波数
频率及能量范围分别如下
大家需要有所了解
一般将红外光分为三个区
分别是近红外光区
0.75-2.5 µm
波数为13334-4000每厘米
中红外光区
2.5-25 µm
波数为4000-400每厘米
以及远红外光区
25-1000 µm
波数为400-10每厘米
对红外光有了简单的了解之后
我们来看一下
红外光谱到底是怎样产生的
我们以双原子分子振动为例
若把双原子分子的两个原子
A和B看作两个小球
把连结它们的化学键
看成质量可以忽略不计的弹簧
则两个原子间的伸缩振动
可近似地看成沿键轴方向的简谐振动
由量子力学可以证明
该分子的振动总能量(Ev)为
v=0
1
2等
这里v是振动量子数
在室温时
分子处于基态（v = 0）
此时
伸缩振动的频率很小
当有红外辐射照射到分子时
若红外辐射的光子
所具有的能量（EL）
恰好等于
分子振动能级的能量差（△Ev）时
则分子将吸收红外辐射
而跃迁至激发态
导致振幅增大
此时
分子振动能级的能量差
分子才能吸收红外辐射
产生红外吸收光谱
这是红外光谱产生的条件之一
这里介绍两个基本概念
基频峰
分子吸收红外辐射后
由基态振动能级（v = 0）
跃迁至
第一振动激发态（v = 1）时
所产生的吸收峰称为基频峰
倍频峰
在红外吸收光谱上除基频峰外
还有振动能级由基态（v = 0）
跃迁至第二激发态（v = 2）
第三激发态（v = 3）
所产生的吸收峰称为倍频峰
实际上
由于分子非谐振性质
各倍频峰并非正好是基频峰的整数倍
而是略小一些
在倍频峰中
二倍频峰还比较强
三倍频峰以上
因跃迁几率很小
一般都很弱
常常不能测到
这是以HCl为例
基频峰和各倍频峰的情况
此外
还有合频峰
差频峰等
这些峰多数很弱
一般不容易辨认
倍频峰
合频峰和差频峰统称为泛频峰
红外光谱产生的第二个条件是
辐射与物质之间有耦合作用
首先看一下什么是偶极子
分子由于构成它的各原子的
电负性的不同
会显示不同的极性
称为偶极子
通常用分子的偶极矩
来描述分子极性的大小
以HCl和水为例
设正负电中心的电荷
分别为+q和-q
正负电中心距离为d
对称分子没有偶极矩
如氮气
氧气
氯气等
非对称分子有偶极矩
如HCl
水
分子振动
原子间的距离（键长）
或夹角（键角）会发生变化
引起偶极矩的变化
这时会产生一个稳定的交变电场
它的频率等于振动的频率
这个交变电场将和运动的
具有相同频率的电磁辐射
电场相互作用
吸收能量
产生红外光谱的吸收
因此我们说红外跃迁是偶极矩诱导的
其能量转移的机制是
通过振动过程所导致的偶极矩的变化
和交变的电磁场（红外线）
相互作用发生的
也就是说
并非所有的振动都会产生红外吸收
只有发生偶极矩变化的振动
才能引起可观测的红外吸收光谱
该分子称之为红外活性的
不能产生红外振动吸收
称为非红外活性的
再重复一下红外光谱产生的两个条件
第一
分子才能吸收红外辐射
产生红外吸收光谱
第二
辐射与物质之间有耦合作用
最后对本节课作一个小结
红外吸收光谱是一种分子吸收光谱
记住红外光谱区划分
理解红外光谱的产生过程
识记红外光谱产生的条件
本节课就讲到这里
同学们再见
-1.1 X射线的性质及X射线的产生
-1.2 X射线谱
--X射线谱
-1.3 X射线与物质的作用
-1.4 衍射的几何条件
--衍射的几何条件
--衍射的几何条件-小测
-1.5 X射线的衍射方法
--X射线的衍射方法
--X射线的衍射方法-小测
-1.6 X射线的衍射数据
--X射线的衍射数据
--X射线的衍射数据-小测
-1.7 X射线衍射物相定性分析
--X射线衍射物相定性分析-小测
-1.8 物相定量分析方法
--物相定量分析方法
--物相定量分析方法-小测
-第一章测试题
-2.1 显微分析概论
--显微分析概论
-2.2 电子光学基础
--电子光学基础
-2.3 透射电子显微镜结构和成像原理（上）
-2.4 透射电子显微镜结构和成像原理（下）
-2.5 透射电镜的电子像衬度原理
-2.6 电子衍射
--电子衍射
-2.7 薄膜样品的制备
--薄膜样品的制备
-2.8 扫描电镜的工作原理
--扫描电镜的工作原理-小测
-2.9 电子束与固体的相互作用
--电子束与固体的相互作用-小测
-2.10 扫描电镜的结构和性能参数
--扫描电镜的结构和性能参数-小测
-2.11 二次电子像的衬度原理
--二次电子像的衬度原理-小测
-2.12 背散射电子像的衬度原理
--背散射电子像的衬度原理-小测
-2.13 波谱和能谱分析
--波谱和能谱分析
--波谱和能谱分析-小测
-2.14 扫描电镜的样品制备
--扫描电镜的样品制备-小测
-2.15 扫描隧道显微镜
--扫描隧道显微镜-测试
-2.16 原子力显微镜的工作原理及应用
--原子力显微镜的工作原理及应用-测试
-第二章测试题
-3.1 红外光谱概述与原理
--红外光谱概述与原理-小测
-3.2 红外光谱图解析与仪器构造
--红外光谱图解析与仪器构造-小测
-3.3 拉曼光谱概述与原理
--拉曼光谱概述与原理-小测
-3.4 拉曼光谱图解析和仪器构造
--拉曼光谱图解析和仪器构造-小测
-3.5 核磁共振氢谱的基本原理
-3.6 核磁共振谱仪的构造与氢谱解析
-3.7 质谱分析概述及原理
-3.8 离子的类型及质谱基本术语
-3.9 质谱分析及联用技术
-3.10 紫外-可见吸收光谱的基本原理
-3.11 紫外-可见吸收光谱的仪器构造与应用
-3.12 分子荧光光谱的基本原理
-3.13 分子荧光光谱的特征与仪器构造
-第三章测试题
-4.1 电子能谱概述
--电子能谱概述
-4.2 XPS基本原理
--XPS基本原理
-4.3 XPS结果分析
--XPS结果分析
-4.4 俄歇电子能谱(上)
-4.5 俄歇电子能谱(下)
-5.1 DTA基本原理
--DTA基本原理
-5.2 DTA基本结构
--DTA基本结构
-5.3 DTA曲线影响因素
-5.4 DTA定性定量分析
-5.5 DSC基本原理
--DSC基本原理
-5.6 热重法
--热重法
-第五章测试题
