譜學(xué)導(dǎo)論

前言

　　在量子理論的基礎(chǔ)上，人們通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式，逐步建立了許多探測(cè)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)方法，特別是譜學(xué)方法。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)和電子技術(shù)的迅速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)這些譜學(xué)方法的儀器更是日新月異，達(dá)到了相當(dāng)高的水平，許多儀器已成為科學(xué)研究中的常規(guī)測(cè)試工具?！　‰S著譜學(xué)方法及儀器的發(fā)展和普及，近20年來(lái)許多譜學(xué)內(nèi)容，特別是分子光譜（如紫外一可見光譜、紅外光譜和拉曼光譜）、核磁共振、質(zhì)譜等實(shí)驗(yàn)方法在大學(xué)基礎(chǔ)課教材中都得到了反映。例如，物理化學(xué)教材中引入了介紹這些實(shí)驗(yàn)方法的原理及理論基礎(chǔ)；無(wú)機(jī)化學(xué)和有機(jī)化學(xué)教材講授了這些方法在測(cè)定無(wú)機(jī)物和有機(jī)物分子結(jié)構(gòu)中的具體應(yīng)用，特別是有機(jī)化學(xué)中專門有關(guān)于波譜解析的章節(jié)；而在分析化學(xué)中更是把介紹這些方法和測(cè)試技術(shù)作為儀器分析的發(fā)展新方向。以上情況說(shuō)明了大學(xué)基礎(chǔ)課程能及時(shí)反映當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的新成就，這是非?？上驳默F(xiàn)象。但是從另一方面看，各門基礎(chǔ)課都介紹譜學(xué)相關(guān)內(nèi)容，雖然各有側(cè)重點(diǎn)，可為了使學(xué)生能學(xué)懂，須從基本原理、實(shí)驗(yàn)技術(shù)講起，直至具體應(yīng)用，重復(fù)講授現(xiàn)象就比較嚴(yán)重，使教學(xué)課時(shí)大量增加。同時(shí)由于受到課時(shí)限制，每門課又無(wú)法將它講透，因此就出現(xiàn)了新的矛盾?！　‰S著教育改革的深入，教學(xué)內(nèi)容和課程結(jié)構(gòu)的改革也得到了充分的重視。教育部化學(xué)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)十分重視以上問(wèn)題，在多次全體會(huì)議中進(jìn)行了討論，特別是在教育部立項(xiàng)的“03-8化學(xué)類課程結(jié)構(gòu)和教學(xué)體系改革”項(xiàng)目中把這個(gè)問(wèn)題列為專門課題進(jìn)行研究。經(jīng)過(guò)多次研討逐步形成了一種共識(shí)，即從多門單獨(dú)課程中把關(guān)于微觀結(jié)構(gòu)測(cè)定的內(nèi)容抽出來(lái)，形成一門比較系統(tǒng)的適合化學(xué)類本科學(xué)生學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)課，用以介紹微觀結(jié)構(gòu)測(cè)定的實(shí)驗(yàn)原理、方法和應(yīng)用。復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系領(lǐng)導(dǎo)十分重視這一項(xiàng)教學(xué)內(nèi)容和課程結(jié)構(gòu)的改革，從1996年起就組織有關(guān)教師進(jìn)行探索，經(jīng)過(guò)5年來(lái)的教學(xué)實(shí)踐逐步形成了目前的課程結(jié)構(gòu)和內(nèi)容。由于本書所介紹的微觀結(jié)構(gòu)測(cè)定方法中譜學(xué)方法占有相當(dāng)大的比重，而所介紹的內(nèi)容深度也只能滿足大學(xué)本科學(xué)生對(duì)這些方法的基本了解，所以定名為《譜學(xué)導(dǎo)論》。

內(nèi)容概要

本書是教育部“高等教育面向21世紀(jì)內(nèi)容和課程體系改革計(jì)劃”的研究成果，是面向21世紀(jì)課程教材和教育部理科化學(xué)“九五”規(guī)劃教材。本書作者將原分散在物理化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、無(wú)機(jī)化學(xué)和分析化學(xué)中關(guān)于譜學(xué)的有關(guān)內(nèi)容，按功能橫向設(shè)置的思路，融基本原理、實(shí)驗(yàn)方法、儀器概況和解譜方法于一體編寫而成的。全書共有正文7章和附錄及插圖光盤。一、分子光譜基礎(chǔ)；二、紅外和拉曼光譜；三、紫外一可見吸收光譜；四、磁共振譜；五、質(zhì)譜法；六、x射線衍射與熒光光譜；七、電子能譜。    本書可作為化學(xué)專業(yè)本科生的基礎(chǔ)課教材，也可供相關(guān)專業(yè)的人員參考。

書籍目錄

第一章　分子光譜基礎(chǔ)　1.1　多原子分子的結(jié)構(gòu)和對(duì)稱性 　 1.1.1　對(duì)稱元素和對(duì)稱操作　  1.1.2　群和分子點(diǎn)群　  1.1.3　群表示及其性質(zhì)　1.2　分子內(nèi)粒子運(yùn)動(dòng)和光譜特征    1.2.1　核運(yùn)動(dòng)和電子運(yùn)動(dòng)的分離    1.2.2　分子光譜的分布和特征    1.2.3　躍遷概率和選律    1.2.4　線形和線寬　1.3　轉(zhuǎn)動(dòng)光譜    1.3.1　質(zhì)心平動(dòng)的分離    1.3.2　雙原子分子的剛性轉(zhuǎn)子模型    1.3.3　非剛性轉(zhuǎn)子模型    1.3.4　多原子分子的轉(zhuǎn)動(dòng)光譜    1.3.5　轉(zhuǎn)動(dòng)光譜的應(yīng)用　1.4　振動(dòng)光譜    1.4.1　雙原子分子的振動(dòng)方程    1.4.2　簡(jiǎn)諧振子模型    1.4.3　非簡(jiǎn)諧振子模型    1.4.4　振動(dòng)光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)——振轉(zhuǎn)光譜    1.4.5　多原子分子的振動(dòng)模式　1.5　電子光譜    1.5.1　雙原子分子的電子能級(jí)及其表示方法    1.5.2　電子光譜選律    1.5.3　電子光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)——電子振轉(zhuǎn)光譜    1.5.4　富蘭克一康頓原理    1.5.5　多原子分子電子光譜　1.6　拉曼光譜　  1.6.1　拉曼散射效應(yīng)　  1.6.2　拉曼光譜選律及其與紅外光譜的互補(bǔ)性　  1.6.3　轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼光譜　  1.6.4　振動(dòng)拉曼光譜　  1.6.5　共振拉曼光譜　1.7　光譜的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)——瞬態(tài)光譜　  1.7.1　含時(shí)薛定諤方程　  1.7.2　時(shí)間分辨光譜測(cè)量　1.8　分子光譜的定量分析基礎(chǔ)    1.8.1　光吸收定律——比爾定律    1.8.2　分子光譜定量分析中的定量方法  習(xí)題  參考閱讀材料第二章　紅外和拉曼光譜　2.1　紅外光譜儀　  2.1.1　色散型紅外光譜儀　  2.1.2　傅里葉變換紅外光譜儀　2.2　紅外光譜的測(cè)量  　2.2.1　紅外樣品的制樣　  2.2.2　測(cè)試條件對(duì)紅外譜帶的影響　2.3　紅外光譜的特征吸收峰    2.3.1　影響特征吸收峰的結(jié)構(gòu)因素    2.3.2　各類官能團(tuán)的特征吸收峰　2.4　紅外光譜的應(yīng)用　2.5　拉曼光譜儀及應(yīng)用簡(jiǎn)介    2.5.1　儀器簡(jiǎn)介    2.5.2　特點(diǎn)及應(yīng)用概況  習(xí)題　  參考閱讀材料第三章　紫外－可見吸收光譜　3.1　紫外－可見光譜儀    3.1.1　紫外－可見光譜儀的主要組成部分    3.1.2　紫外－可見光譜儀的類型　3.2　影響紫外光譜的因素    3.2.1　紫外光譜吸收帶的分類    3.2.2　測(cè)試條件對(duì)紫外－可見吸收譜帶的影響　3.3　有機(jī)化合物的紫外光譜    3.3.1　共軛烯烴的紫外吸收    3.3.2　共軛烯酮的紫外吸收    3.3.3　芳香化合物的紫外吸收    3.3.4　雜環(huán)化合物的紫外吸收　3.4　無(wú)機(jī)化合物紫外光譜　……第四章　磁共振譜第五章　質(zhì)譜法第六章　X射線衍射與熒光光譜第七章　電子能譜附錄一　波譜解析綜合練習(xí)和習(xí)題附錄二　國(guó)際單位制（SI）附錄四　常用的換算因數(shù)附錄五　化學(xué)上重要點(diǎn)群的特征標(biāo)表部分習(xí)題參考答案

章節(jié)摘錄

　　第一章　分子光譜基礎(chǔ)　　很早人們就知道，物質(zhì)的特殊顏色可以用于測(cè)定物質(zhì)的含量，這就是比色分析法的基礎(chǔ)。在量子力學(xué)誕生以后，人們對(duì)于光和物質(zhì)之間相互作用的認(rèn)識(shí)有了本質(zhì)的飛躍，光譜技術(shù)不僅在定性定量分析上得到了很大發(fā)展，同時(shí)也演變成了人們了解物質(zhì)結(jié)構(gòu)信息的主要工具之一。本章主要介紹分子光譜的理論基礎(chǔ)。物質(zhì)對(duì)光產(chǎn)生的吸收、發(fā)射或散射，其本質(zhì)是光和物質(zhì)分子的相互作用，將物質(zhì)吸收、發(fā)射或散射光的強(qiáng)度對(duì)頻率作圖所形成的演變關(guān)系，就是分子光譜。根據(jù)光輻射的波長(zhǎng)范圍和作用形式的不同，分子光譜又包括紫外一可見光譜、紅外光譜、微波譜、熒光光譜和拉曼光譜等。不同的光譜可提供物質(zhì)分子內(nèi)部不同運(yùn)動(dòng)的信息，由分子光譜了解物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，這就是學(xué)習(xí)分子光譜的目的?！　?.1　多原子分子的結(jié)構(gòu)和對(duì)稱性　　量子力學(xué)的基本原理告訴我們，只要知道了分子體系的波函數(shù)，就可以得到關(guān)于分子體系的任何信息。盡管寫出一個(gè)分子的薛定諤（SchrOdinger）方程并不困難，但是能夠精確求解的微觀體系卻為數(shù)很少，絕大部分分子體系薛定諤方程的求解都依賴于近似方法。因此，利用分子的某些特殊性質(zhì)對(duì)繁復(fù)的量子化學(xué)計(jì)算過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)化，就非常有必要了。其中，分子的對(duì)稱性是可供利用的最重要的性質(zhì)之一。下面簡(jiǎn)單介紹一些分子對(duì)稱性及其數(shù)學(xué)表示的最基本知識(shí)，有關(guān)詳細(xì)內(nèi)容可參閱相關(guān)的參考書?！　?.1.1　對(duì)稱元素和對(duì)稱操作　　顯然，諸如苯、甲烷、氨這樣的分子都有對(duì)稱性，但是怎樣定量地描述分子的這種對(duì)稱性高低呢?首先需要給出一個(gè)對(duì)分子對(duì)稱性進(jìn)行分類和描述的方法。以氨分子為例，它是正三角錐形狀，N原子在正三角錐的頂點(diǎn)上，三個(gè)H原子位于三角錐基底正三角形的三個(gè)頂點(diǎn)上。設(shè)想，三個(gè)H原子構(gòu)成的正三角形中心和N原子之間連成一條線，則當(dāng)整個(gè)分子圍繞這根線旋轉(zhuǎn)120度后，我們不能分辨這個(gè)分子和它在旋轉(zhuǎn)前有什么不同。這種在不改變分子中任何兩個(gè)原子之間距離的前提下使分子復(fù)原的操作稱為對(duì)稱操作。對(duì)稱操作賴以進(jìn)行的幾何元素稱為對(duì)稱元素。

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