振動能級

由玻爾的理論發展而來的現代量子物理學認為原子核外電子的可能狀態是不連續的，因此各狀態對應能量也是不連續的，這些能量值就是能級。

在一定條件下，某種運動形式所處的最低能量狀態叫基態，而高於基態的各能量狀態叫激發態，體系能量以不連續狀態存在。

當原子或分子改變其狀態時，必須吸收或者釋放出一定大小的能量恰使原子或分子進入另一種狀態。即分子或原子吸收光子的能量從低能級躍遷到高能級，或發射光子的能量從高能級躍回到低能級；此為能級躍遷，在此過程中，總的能量守恆。

分子的運動較為複雜，主要有分子的整體平動、分子繞其質心的轉動、分子中原子核間的振動及分子中電子的運動等。它們所具有的能量分別稱為平動能、轉動能、振動能和電子能。

分子內部的運動包括電子相對於原子核的運動，對應於電子能級，能級躍遷產生紫外、可見光譜；

原子核在其平衡位置附近的振動，相對應于振動能級，能級躍遷產生振動光譜；分子本身繞其重心的轉動，對應於轉動能級，能級躍遷產生轉動光譜。

三種能級都是量子化的，且各自具有相應的能量，即電子能量E_e、振動能量E_v和轉動能量E_r。分子的內能E則為三種能量之和，即E=E_e+E_v+E_r，且△E_e>△E_v>△E_r。

電子能級的△E_e：1-20eV之間。電子躍遷產生的吸收光譜在紫外-可見光區，稱紫外及可見光譜或分子電子光譜。

電子能級的△E_r：0.005-0.025eV之間。躍遷產生的吸收光譜位於遠紅外區，稱遠紅外光譜或分子轉動光譜；波長間隔約0.25nm。

電子能級的△E_v：0.025-1eV之間。躍遷產生的吸收光譜位於紅外區，稱遠紅外光譜或分子振動光譜；波長間隔約5nm。

後兩者統稱為紅外光譜或振轉光譜。

分子振動有二種方式：伸縮振動（stretching vibration）和彎曲振動（bending vibration）。

伸縮振動是指原子沿鍵軸作規律運動，這種振動使原子間的距離增大或減小，即振動時鍵長髮生變化，鍵角不變。

當兩個原子和一箇中心原子相連時，伸縮振動可分為兩種對稱伸縮振動和不伸縮振動，如兩原子沿鍵軸運動方向相同，即鍵長同時伸長或縮短，稱為對稱伸縮振動.

如兩原子沿鍵軸運動方向相反，即鍵長同伸長也有縮短，稱為不對稱伸縮振動，（又稱為反對稱伸縮振動），這兩種伸縮振動在紅外圖譜中各有吸收峯。

對同一基團來説，不對稱伸縮振動的頻率總要稍高於對稱伸縮振動的頻率。

彎曲振動又叫變角振動，是指鍵角發生變化而鍵長不發生變化的振動，彎曲振動根據其振動的特點又可分為面內彎曲振動和麪外彎曲振動，面內彎曲振動方向位於平面內，又可分為面內搖擺振動和剪式振動；面外彎曲振動則是垂直於分子平面的振動，也可分為兩種形式，扭絞振動和非平面搖擺振動。

紅外光譜法實質上是一種根據分子內部原子間的相對振動和分子轉動等信息來確定物質分子結構和鑑別化合物的分析方法。將分子吸收紅外光的情況用儀器記錄下來，就得到紅外光譜圖。

能級的躍遷過程必須有偶極矩的變化，這樣才能使振動的電荷分佈改變而產生變電場與電磁輻射的振盪電場相耦合。只有能產生偶極矩變化的振盪方式，才能吸收紅外輻射，產生紅外吸收，這種振動方式稱為紅外活性的。相反，振動過程中不發生偶極矩變化的振動，不能吸收紅外輻射，不產生紅外吸收，稱為非紅外活性振動。

振動量子力學理論：分子中各種振動是量子化的，處於不同的能級上，只有紅外輻射的能量和振動能量等時，才會引起能級間的躍遷，即E = hυ。

紅外光譜圖是記錄物質對紅外光的吸收（或透過）程度與波長（或波數）的關係圖。記錄的波數範圍一般在4500~400cm^-1，絕大多數有機化合物的化學鍵振動頻率出現於此範圍內。紅外光譜圖的縱座標是光吸收量，用透過率或吸光度表示。兩者關係為：A= lg（1/T）。

紅外譜圖的橫座標也有兩種表示方法，波長λ和波數υ，它們之間的關係為υ=1/λ，λ的單位為μm，υ的單位為cm^-1。

10000~100cm^-1範圍內的紅外輻射照射樣品，樣品吸收能量並轉化成分子振動能，這樣通過樣品池的紅外輻射在一定範圍內發生吸收，產生吸收峯（又叫吸收譜帶），而得到紅外光譜。紅外光譜中吸收譜帶都對應着分子和分子中各級團的振動形式，吸收譜帶數目、位置及強度是判斷一個分子結構的最主要依據。