分光学①

 こんにちは。分光学の初回のフィードバックになります。

 みなさん、分光学ってご存知でしょうか。やったことあるよという方、聞いたこともないという方、様々いるかと思いますが、ざっくりいうと、物質の性質を調べる方法である、「分光法」という方法を基礎から応用まで体系化した学問分野のことです。

 そして、分光学の入門ということで、基礎レベルでは光と物質の相互作用について学んでいきます。

 さて、光と物質の相互作用って何があるのだろう、って感じですが、大きく分類すると、「吸収」、「放出」、「散乱」の三つに分けられます。

 吸収は、光のエネルギーを吸収し、内部エネルギーとし、励起すること。

 放出は、内部エネルギーを放出し、光エネルギーとすること。この時、エネルギー準位は下がります。

 散乱は、明確な励起状態をとることなく、光エネルギーを吸収後、放出することです。

 さらに、明確にしておくこととしては、光とは古典力学的には、電場と磁場をもち、互いに誘起しながら進む、波としての性質がありますが、量子力学的には、波の性質を持った粒子として扱われます。

 最後に、分子のエネルギー準位について。

 パウリの排他原理により、一つの電子軌道に電子は二つまでしか入れなません。

 4つの電子を持つ仮想的な分子を考えましょう。この分子は二つの、エネルギー準位が異なる、二つの電子が入った電子軌道を持っています。(この状態が一番エネルギーの低い安定した状態)さらに、上位に空の電子軌道があり、例えば、三つ目の電子軌道と二番目の電子軌道のエネルギー準位差に等しいエネルギーを持つ光子がやってきたとします。

 この時、電子は光を吸収して、三番目の電子軌道に移動します。これが分子の励起状態ということになるのです。

 ところで、分子のエネルギーは電子のエネルギーだけで決まるわけではないのです。分子は原子同士の結合であるが、原子はそれ自身で振動しており、また、単結合では回転もできます。これらの振動や回転も分子の内部エネルギーとなるのです。

 興味深いことに、振動エネルギーや回転エネルギーも準位を持つのです。この理由がわかったら追記します。

 分子に光を当て、吸収が起こると透過する光量が減ります。そこで、横軸に波長、縦軸にどれくらい吸収されたか(吸光度と言います)を取ると、吸収スペクトルを得ることができます。

 電子遷移が起こる吸収スペクトルのピークに着目すると、気体分子の吸収スペクトルと液体溶媒に入れた気体分子の吸収スペクトルは様相が異なります。

 前者では、自由に動き回ることができるので、振動や回転のエネルギー準位の遷移も含まれます。一方で、後者では液体溶媒との相互作用により、より複雑で高次の回転エネルギー準位を持つ分子も増えることになります。したがって、同じエネルギー準位でもエネルギー幅が多様化することで、吸収スペクトルは滑らかになります。(本当は図を載せたいのですが、講義資料が無断転載禁止なので勘弁を。。。)

 次回は、量子力学に基づいたエネルギーの量子化についてまとめたいと思います。

 コメントなどありましたらよろしくお願いします。 

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北海道で大学生をしている。やりたいこと沢山で進路模索中。no rain no rainbow をモットーに緩くのんびり生きます。