3.4　量子學說和分子內部的能級

紅外光譜源于分子內部運動狀態的改變，要了解與利用光譜，必須對分子的運動做一考察，這對認識物質的加熱與干燥過程亦是極為有益的。

在量子學說沒有建立以前，人們對光譜的研究幾乎全是靠經驗，量子學說的建立和發展使紅外光譜有了理論指導。根據量子學的觀點，物質在入射光的照射下，分子吸收光能后，自己能量的增加是跳躍式的，即不是連續變化的。每個光子的能量hν取決于兩個能級間的能量差ΔE，即：

ΔE=E₂-E₁=hν　　　（3-2）

式中，h為普朗克（量子）常數，h=6.624×10^-34J·s；ν為光的頻率，s^-1；E₁、E₂分別為初能級和終能級的能量。

由式（3-2）可知，能級差ΔE越大，則吸收光譜的頻率越高（即波長越短）。圖3-1為雙原子分子能級示意，由圖中可見，轉動能級間的間隔最小，ΔE<0.05eV（eV為電子伏特。1eV=1.6×10^-19J），欲使轉動能級躍遷僅需遠紅外光或微波照射即可。振動能級間距較大，ΔE=0.05～1.0eV，欲使振動能級躍遷就需要短波的光能，振動光譜出現在中紅外區，但振動躍遷時伴隨有轉動躍遷的發生，所以中紅外光譜也稱分子的振動-轉動光譜。電子能級的躍遷ΔE=1～20eV，因此，電子躍遷光譜只能在可見光、紫外線或波長更短的光譜區。實際的分子吸收光譜相當復雜，作為一級近似，分子的運動能量可分為平動、轉動、振動和電子的運動，運動狀態都屬一定的能級（實際上電子能級間隔比圖示大得多，而轉動能級間隔比圖示小得多），因此，分子的總能量為：

圖3-1　雙原子分子能級示意

E=E₀+E_平+E_轉+E_振+E_電　　　（3-3）

式中，E₀為分子內能，是不隨分子運動而改變的能量，即所謂“零點能”；E_平為分子的空間運動或熱運動能或稱平移運動能，它的能量是連續變化的，不產生光譜，對流換熱屬這一能量。分子從較低能級E₁跳躍到較高能級E₂時，要吸收電磁輻射即吸收光子，對于紅外輻射加熱干燥，波長在2～25μm的范圍，屬振動-轉動吸收光譜范圍，即包括E_轉+E_振，因此，僅就分子的振動光譜加以分析，這也是紅外輻射強化烤漆的理論基礎之一，即為什么中波烤漆比長波烤漆強化。上述這一分析和普朗克及愛因斯坦論是一致的。