흡수 밴드

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양자역학에 따르면, 원자와 분자는 특정한 양의 에너지를 보유하거나 특정한 상태로 존재할 수 있다. 그러한 전자기 방사선의 퀀타가 원자나 분자에 의해 방출되거나 흡수될 때, 방사선의 에너지는 원자나 분자의 상태를 초기 상태에서 최종 상태로 변화시킨다. 흡수 대역은 물질의 초기 상태에서 최종 상태로의 특정 전환의 특징인 전자기 스펙트럼의 파장, 주파수 또는 에너지의 범위다.

개요

양자역학에 따르면, 원자와 분자는 특정한 양의 에너지를 보유하거나 특정한 상태로 존재할 수 있다. 전자기 방사선이 원자나 분자에 의해 흡수될 때, 방사선의 에너지는 원자나 분자의 상태를 초기 상태에서 최종 상태로 변화시킨다. 특정 에너지 범위의 상태 수는 가스 또는 희석 시스템에 대해 이산 에너지 레벨로 이산형이다. 응축된 시스템은 액체나 고형물과 같이 상태 분포의 지속적인 밀도를 가지며 종종 연속적인 에너지 대역을 가진다. 어떤 물질이 에너지를 변화시키기 위해서는 광자의 흡수에 의한 일련의 "단계"에서 그렇게 해야 한다. 이 흡수 과정은 전자와 같은 입자를 점유 상태에서 비어 있거나 비어 있는 상태로 이동할 수 있다. 또한 분자와 같은 진동이나 회전계통을 하나의 진동이나 회전상태에서 다른 진동상태로 이동시킬 수도 있고 고체의 포논이나 플라시몬과 같은 퀘이피사를 만들 수도 있다.

전자기 전환

광자가 흡수되면 광자의 전자기장은 광자를 흡수하는 시스템의 상태 변화를 개시하면서 사라진다. 에너지, 운동량, 각도 운동량, 자기 쌍극자 모멘트 및 전기 쌍극자 모멘트는 광자에서 시스템으로 전송된다. 충족되어야 하는 보존법칙이 있기 때문에, 전환은 일련의 제약을 충족시켜야 한다. 이로 인해 일련의 선택 규칙이 발생한다. 관측된 에너지 또는 주파수 범위 내에 있는 전환은 불가능하다.

전자기 흡수 과정의 강도는 주로 두 가지 요인에 의해 결정된다. 첫째로 시스템의 자기 쌍극자 모멘트만 바꾸는 전환은 전기 쌍극자 모멘트를 바꾸는 전환보다 훨씬 약하며, 쿼드폴 전환과 같이 고차원의 전환이 쌍극 전환보다 약하다는 것을 깨닫는 것이 중요하다. 둘째, 모든 전환이 동일한 전환 매트릭스 요소, 흡수 계수 또는 오실레이터 강도를 가지는 것은 아니다.

일부 유형의 밴드나 분광학 분야의 경우 온도 및 통계 역학이 중요한 역할을 한다. 적외선의 경우, 마이크로파 및 무선 주파수는 주의 온도 의존적 직업 수 범위와 보세-아인슈타인 통계와 페르미-디락 통계 사이의 차이가 관측된 흡수 강도를 결정한다. 다른 에너지 범위의 경우 도플러 확대와 같은 열 운동 효과가 선폭을 결정할 수 있다.

밴드 및 선 모양

흡수 밴드 및 라인 형태가 매우 다양하게 존재하며, 밴드나 라인 형태에 대한 분석을 사용하여 이를 유발하는 시스템에 대한 정보를 결정할 수 있다. 많은 경우에 좁은 스펙트럼 라인이 각각 도플러 확대와 같은 붕괴 메커니즘이나 온도 효과에 따라 로렌츠어 또는 가우스어라고 가정하는 것이 편리하다. 스펙트럼의 밀도와 스펙트럼 라인의 강도, 폭 및 형상의 분석은 뫼스바우어 스펙트럼으로 수행되는 것처럼 관측된 시스템에 대한 많은 정보를 산출할 수 있다.

고분자 및 큰 결합 시스템과 같이 상태가 매우 많은 시스템에서는 별도의 에너지 수준이 흡수 스펙트럼에서 항상 구별될 수 없다. 라인 확대 메커니즘이 알려져 있고 스펙트럼에서 당시의 스펙트럼 밀도의 형상이 선명하게 보인다면 원하는 데이터를 얻을 수 있다. 때로는 밴드의 하한이나 상한이나 분석을 위한 그 위치를 아는 것으로 충분하다.

응축된 물질과 고형물의 경우 흡수 밴드의 형상은 상태 분포의 연속 밀도에서 상태 간의 전환에 의해 결정되는 경우가 많다. 결정의 경우 전자 밴드 구조가 상태 밀도를 결정한다. 유체, 안경 및 비정형 고형분에서는 장거리 상관관계가 없으며 분산관계는 등방성이다. 이것은 흡수 밴드 형태의 상태 계산을 더 쉽게 만든다. 충전 전송 복합체 및 결합 시스템의 경우 밴드 너비는 다양한 요인에 의해 결정된다.

종류들

전자 전환

원자, 분자 및 응축 물질의 전자기 전환은 주로 UV와 스펙트럼의 가시적인 부분에 해당하는 에너지에서 일어난다. 원자의 코어 전자, 그리고 많은 다른 현상들은 X선 에너지 범위에서 다른 브랜드의 XAS로 관측된다. 뫼스바우어 분광학에서 관측된 원자핵의 전자기 전환은 스펙트럼의 감마선 부분에서 일어난다. 분자 고체의 흡수 밴드로 스펙트럼 라인을 넓히는 주요 요인은 샘플 내 분자의 진동 및 회전 에너지 분포(그리고 흥분 상태의 분포)이다. 고체 결정에서 흡수 밴드의 형태는 결정 구조에서 포논이라 불리는 전자 상태나 격자 진동의 초기 상태와 최종 상태의 밀도에 의해 결정된다. 기체 위상 분광학에서는 이러한 인자가 제공하는 미세 구조를 파악할 수 있지만, 용액 상태 분광학에서는 분자 미세 환경의 차이가 구조를 더욱 넓혀 부드러운 띠를 부여한다. 분자의 전자 전이 띠는 폭이 수십 나노미터에서 수백 나노미터 사이일 수 있다.

진동 전환

진동 전환과 광학 포논 전환은 약 1~30마이크로미터의 파장에서 스펙트럼의 적외선 부분에서 일어난다.^[1]

회전 전환

회전 전환은 원적외선과 마이크로파 영역에서 일어난다.^[2]

기타 전환

무선 주파수 범위의 흡수 대역은 NMR 분광학에서 찾을 수 있다. 주파수 범위와 강도는 관측된 핵의 자기 모멘트, 자력 상태의 적용된 자기장 및 온도 점유 수 차이에 의해 결정된다.

적용들

흡수 밴드가 넓은 소재는 색소, 염료, 광학 필터 등에 적용되고 있다. 자외선 차단제에는 이산화티타늄, 산화아연, 색소포레 등이 자외선 흡수제, 반사제로 사용된다.

대기 물리학에 관심 있는 흡수 밴드

산소:

• 자외선 내 약 67~100나노미터(존 J. 홉필드(John J. Hopfield) 사이의 Hopfield 밴드;
• 101.9와 130 나노미터 사이의 확산 시스템
• 135 ~ 176 나노미터 사이의 매우 강한 슈만-런지 연속체
• 176~192.6나노미터 사이의 슈만-런지 밴드(빅터 슈만과 칼 룬지의 이름)
• 240 ~ 260나노미터 사이의 헤르츠베르크 밴드(게르하르트 헤르츠베르크의 이름)
• 가시 스펙트럼에서 538 ~ 771 나노미터 사이의 대기 대역(산소 Δ(~580nm), γ(~629nm), B(~688nm), A-밴드(~759-771nm)^[3] 포함)
• 약 1000 나노미터의 적외선에 있는 ^[4]시스템

오존의 경우:

• 자외선 내 200~300나노미터 사이의 하틀리 밴드, 255나노미터(Walter Noel Hartley의 이름)에서 매우 강한 최대 흡수량
• 320에서 360나노미터 사이의 약한 흡수(William Huggins 경의 이름을 딴 이름) 허긴스 밴드;
• 가시 스펙트럼 내 375~650나노미터 사이의 약한 확산 시스템인 채푸이 밴드("채피우스") 및
• 700 nm 이상의 적외선 안에 있는 Wulf 밴드는 4700, 9,600, 1만4,100 나노미터에 집중되어 있으며, 후자는 가장 강렬한 (올리버 R의 이름을 따서 명명)이다. 울프.

질소:

• 극자외선에서는 버지-홉필드 밴드로 알려져 있는 리만-버지-홉필드 밴드는 140~170nm(시어도어 라이먼, 레이먼드 T의 이름을 따서 명명)이다. 버지, 그리고 존 J. 홉필드)

참고 항목

• 프랑크-콘돈 원리
• 분광학
• 스펙트럼 라인

참조