Согласно квантовая механика, атомы и молекулы могут удерживать только определенные определенные количества энергии или существовать в определенных состояниях. Когда такие кванты электромагнитного излучения испускаются или поглощаются атомом или молекулой, энергия излучения изменяет состояние атома или молекулы из исходного состояния в конечное состояние. Полоса поглощения представляет собой диапазон длин волн, частот или энергий в электромагнитном спектре, которые характерны для конкретного перехода от начального к конечное состояние в веществе.
Согласно квантовой механике, атомы и молекулы могут удерживать только определенные определенные количества энергии или существовать в определенных состояниях. Когда электромагнитное излучение поглощается атомом или молекулой, энергия излучения изменяет состояние атома или молекулы с начального состояния на конечное состояние. Число состояний в определенном диапазоне энергий дискретно для газообразных или разбавленных систем с дискретными уровнями энергии. Конденсированные системы, такие как жидкости или твердые тела, имеют непрерывное распределение плотности состояний и часто имеют непрерывные энергетические зоны. Для того чтобы вещество изменило свою энергию, оно должно делать это в несколько этапов путем поглощения фотона. Этот процесс поглощения может перемещать частицу, например электрон, из занятого состояния в пустое или незанятое состояние. Он также может перемещать целую колеблющуюся или вращающуюся систему, например молекулу, из одного колебательного или вращательного состояния в другое, или он может создавать квазичастицу, такую как фонон или плазмон. в твердом теле.
Когда фотон поглощается, электромагнитное поле фотона исчезает, поскольку оно инициирует изменение состояния системы, которая поглощает фотон. Энергия, импульс, угловой момент, магнитный дипольный момент и электрический дипольный момент переносятся от фотона в систему. Поскольку существуют законы сохранения , которые должны выполняться, переход должен соответствовать ряду ограничений. Это приводит к серии правил выбора . Невозможно выполнить переход, который находится в наблюдаемом диапазоне энергии или частоты.
Сила процесса электромагнитного поглощения в основном определяется двумя факторами. Во-первых, важно понимать, что переходы, которые изменяют только магнитный дипольный моментсистемы, намного слабее, чем переходы, которые изменяют электрический дипольный момент и что переходы в моменты более высокого порядка, такие как квадрупольные переходы, слабее, чем дипольные переходы. Во-вторых, не все переходы имеют одинаковый элемент матрицы перехода, коэффициент поглощения или сила осциллятора.
Для некоторых типов полос или спектроскопических дисциплин температураи статистическая механика играет важную роль. Для (дальнего) инфракрасного, микроволн и радиочастоты диапазоны зависимых от температуры чисел занятия состояний и разницы между Bose -Статистика Эйнштейна и Статистика Ферми-Дирака определяет интенсивность наблюдаемого поглощения. Для других диапазонов энергий эффекты теплового движения, такие как доплеровское уширение, могут определять ширину линии .
Существует большое разнообразие форм полос и линий поглощения, и анализ формы полосы или линии может использоваться для определения информации о системе, которая их вызывает. Во многих случаях удобно предположить, что узкая спектральная линия является лоренцевой или гауссовой, в зависимости от механизма распада или температурных эффектов как Доплеровское расширение. Анализ спектральной плотности и интенсивностей, ширины и формы спектральных линий иногда может дать много информации о наблюдаемой системе, как это делается с мессбауэровскими спектрами.
В системах с очень большим количеством состояний, таких как макромолекулы и большие сопряженные системы, отдельные энергетические уровни не всегда могут быть различимы в спектре поглощения. Если известен механизм уширения линий и форма спектральной плотности четко видна в спектре, можно получить желаемые данные. Иногда для анализа достаточно знать нижнюю или верхнюю границу полосы или ее положение.
Для конденсированного вещества и твердых тел форма полос поглощения часто определяется переходами между состояниями в их непрерывных распределениях плотности состояний. Для кристаллов электронная зонная структура определяет плотность состояний. В текучих средах, стеклах и аморфных твердых телах отсутствует дальняя корреляция, и дисперсионные отношения изотропны. Это упрощает расчет плотности состояний для формы полос поглощения. Для комплексов с переносом заряда и сопряженных систем ширина полосы определяется множеством факторов.
Электромагнитные переходы в атомах, молекулах и конденсированных средах в основном происходят при энергиях, соответствующих УФ и видимому часть спектра. Основные электроны в атомах и множество других явлений наблюдаются с помощью различных марок XAS в диапазоне энергий рентгеновских лучей. Электромагнитные переходы в атомных ядрах, наблюдаемые в мессбауэровской спектроскопии, имеют место в гамма-лучевой части спектра. Основными факторами, вызывающими уширение спектральной линии в полосу поглощения молекулярного твердого тела, являются распределения колебательной и вращательной энергий молекул в образце (а также их возбужденных состояний). В твердых кристаллах форма полос поглощения определяется плотностью состояний начальных и конечных состояний электронных состояний или колебаниями решетки, называемыми фононами, в кристаллической структуре. В газофазной спектроскопии можно различить тонкую структуру , обусловленную этими факторами, но в спектроскопии в состоянии раствора различия в молекулярном микросреде дополнительно расширяют структуру, давая гладкие полосы. Полосы электронных переходов молекул могут иметь ширину от десятков до нескольких сотен нанометров.
Колебательные переходы и оптические фононные переходы происходят в инфракрасной части спектра на длинах волн около 1-30 микрометров.
Вращательные переходы происходят в дальней инфракрасной и микроволновой областях.
Полосы поглощения в радиочастотном диапазоне обнаруживаются в ЯМР-спектроскопии.. Частотные диапазоны и интенсивности определяются магнитным моментом ядер, которые наблюдаются, приложенным магнитным полем и температурными различиями числа заполнения магнитных состояний.
Материалы с широкими полосами поглощения применяются в пигментах, красителях и оптических фильтрах. Диоксид титана, оксид цинка и хромофор применяются в качестве поглотителей и отражателей ультрафиолетового излучения в солнцезащитном креме.
В кислород :
In озон :
В азот :