量子化學紅外圖如何分析

A. 急求（量子化學）：NH3分子的簡正振動，並判斷紅外活性和拉曼活性的詳細解題過程！！！

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B. 紅外光譜紫外光譜原子光譜熒光光譜的區分

紫外光譜是分子中某些價電子吸收了一定波長的電磁波,由低能級躍近到高能級而產生的一種光譜,也稱之為電子光譜.目前使用的紫外光譜儀波長范圍是200~800nm.其基本原理是用不同波長的近紫外光(200~400nm)依次照一定濃度的被測樣品溶液時,就會發現部分波長的光被吸收。如果以波長λ為橫坐標(單位nm),吸收度(absorbance)A為縱坐標作圖,即得到紫外光譜(ultra violet spectra，簡稱UV).
在輻射能激發出的熒光輻射強度進行定量分析的發射光譜分析方法。物體經過較短波長的光照，把能量儲存起來，然後緩慢放出較長波長的光，放出的這種光就叫熒光。如果把熒光的能量--波長關系圖作出來，那麼這個關系圖就是熒光光譜。熒光光譜當然要靠光譜檢測才能獲得。
熒光光譜。高強度激光能夠使吸收物種中相當數量的分子提升到激發量子態。因此極大地提高了熒光光譜的靈敏度。以激光為光源的熒光光譜適用於超低濃度樣品的檢測，例如用氮分子激光泵浦的可調染料激光器對熒光素鈉的單脈沖檢測限已達到10-10摩爾／升，比用普通光源得到的最高靈敏度提高了一個數量級。
熒光光譜有很多，如原子光譜1905年，Wood首先報道了用含有NaCl的火焰來激發盛有鈉蒸氣的玻璃管，並得到了D線的熒光，被Wood稱為共振熒光。在Mitchell及 Zemansky和Pringsheim的著作里討論了某些揮發性元素的原子熒光。火焰中的原子熒光則是Nichols和Howes於1923年最先報道的，他們在Bunsen焰中做了Ca、Sr、Ba、Li及Na的原子熒光測定。從1956年開始，Alkenmade利用原子熒光量子效率和原子熒光輻射強度的測定方法，以及用於測量不同火焰中鈉D雙線共陣熒光量子效率的裝置，預言原子熒光可用於化學分析。 1964年，美國的Winefordner和Vickers提出並論證了原子熒光火焰光譜法可作為一種新的分析方法，同年，Winefordner等首次成功地用原子熒光光譜測定了Zn、Cd、Hg。有色散原子熒光儀和無色散原子熒光儀的商品化，極大地推動了原子熒光分析的應用和發展，使其進入一個快速發展時期。
熒光光譜包括激發譜和發射譜兩種。激發譜是熒光物質在不同波長的激發光作用下測得的某一波長處的熒光強度的變化情況，也就是不同波長的激發光的相對效率；發射譜則是某一固定波長的激發光作用下熒光強度在不同波長處的分布情況，也就是熒光中不同波長的光成分的相對強度。

C. 紅外吸收光譜的原理和用途

工作原理
紅外吸收光譜是由分子不停地作振動和轉動運動而產生的，分子振動的能量與紅外射線的光量子能量正好對應，因此當分子的振動狀態改變時，就可以發射紅外光譜，也可以因紅外輻射激發分子而振動而產生紅外吸收光譜。
用途
可用於研究分子的結構和化學鍵，也可以作為表徵和鑒別化學物種的方法,利用化學鍵的特徵波數來鑒別化合物的類型，並可用於定量測定。此外，在高聚物的構型、構象、力學性質的研究，以及物理、天文、氣象、遙感、生物、醫學等領域，也有廣泛應用。

D. 紅外光譜的原理

紅外光譜的原理

當一束具有連續波長的紅外光通過物質，物質分子中某個基團的振動頻率或轉動頻率和紅外光的頻率一樣時，分子就吸收能量由原來的基態振(轉)動能級躍遷到能量較高的振(轉)動能級，分子吸收紅外輻射後發生振動和轉動能級的躍遷，該處波長的光就被物質吸收。

所以，紅外光譜法實質上是一種根據分子內部原子間的相對振動和分子轉動等信息來確定物質分子結構和鑒別化合物的分析方法。將分子吸收紅外光的情況用儀器記錄下來，就得到紅外光譜圖。紅外光譜圖通常用波長(λ)或波數(σ)為橫坐標，表示吸收峰的位置，用透光率(T%)或者吸光度(A)為縱坐標，表示吸收強度。

當外界電磁波照射分子時，如照射的電磁波的能量與分子的兩能級差相等，該頻率的電磁波就被該分子吸收，從而引起分子對應能級的躍遷，宏觀表現為透射光強度變小。電磁波能量與分子兩能級差相等為物質產生紅外吸收光譜必須滿足條件之一，這決定了吸收峰出現的位置。

紅外吸收光譜產生的第二個條件是紅外光與分子之間有偶合作用，為了滿足這個條件，分子振動時其偶極矩必須發生變化。這實際上保證了紅外光的能量能傳遞給分子，這種能量的傳遞是通過分子振動偶極矩的變化來實現的。

並非所有的振動都會產生紅外吸收，只有偶極矩發生變化的振動才能引起可觀測的紅外吸收，這種振動稱為紅外活性振動；偶極矩等於零的分子振動不能產生紅外吸收，稱為紅外非活性振動。

分子的振動形式可以分為兩大類：伸縮振動和彎曲振動。前者是指原子沿鍵軸方向的往復運動，振動過程中鍵長發生變化。後者是指原子垂直於化學鍵方向的振動。通常用不同的符號表示不同的振動形式，例如，伸縮振動可分為對稱伸縮振動和反對稱伸縮振動，分別用 Vs 和Vas 表示。彎曲振動可分為面內彎曲振動(δ)和面外彎曲振動(γ)。

從理論上來說，每一個基本振動都能吸收與其頻率相同的紅外光，在紅外光譜圖對應的位置上出現一個吸收峰。實際上有一些振動分子沒有偶極矩變化是紅外非活性的；另外有一些振動的頻率相同，發生簡並；還有一些振動頻率超出了儀器可以檢測的范圍，這些都使得實際紅外譜圖中的吸收峰數目大大低於理論值。

組成分子的各種基團都有自己特定的紅外特徵吸收峰。不同化合物中，同一種官能團的吸收振動總是出現在一個窄的波數范圍內，但它不是出現在一個固定波數上，具體出現在哪一波數，與基團在分子中所處的環境有關。

引起基團頻率位移的因素是多方面的，其中外部因素主要是分子所處的物理狀態和化學環境，如溫度效應和溶劑效應等。

對於導致基團頻率位移的內部因素，迄今已知的有分子中取代基的電性效應：如誘導效應、共軛效應、中介效應、偶極場效應等；機械效應：如質量效應、張力引起的鍵角效應、振動之間的耦合效應等。

紅外光譜的分區

通常將紅外光譜分為三個區域：近紅外區(0.75~2.5μm)、中紅外區(2.5~25μm)和遠紅外區(25~300μm)。一般說來，近紅外光譜是由分子的倍頻、合頻產生的；中紅外光譜屬於分子的基頻振動光譜；遠紅外光譜則屬於分子的轉動光譜和某些基團的振動光譜。

由於絕大多數有機物和無機物的基頻吸收帶都出現在中紅外區，因此中紅外區是研究和應用最多的區域，積累的資料也最多，儀器技術最為成熟。通常所說的紅外光譜即指中紅外光譜。

應用

紅外光譜對樣品的適用性相當廣泛，固態、液態或氣態樣品都能應用，無機、有機、高分子化合物都可檢測。此外，紅外光譜還具有測試迅速，操作方便，重復性好，靈敏度高，試樣用量少，儀器結構簡單等特點，因此，它已成為現代結構化學和分析化學最常用和不可缺少的工具。

紅外光譜在高聚物的構型、構象、力學性質的研究以及物理、天文、氣象、遙感、生物、醫學等領域也有廣泛的應用。

紅外吸收峰的位置與強度反映了分子結構上的特點，可以用來鑒別未知物的結構組成或確定其化學基團；而吸收譜帶的吸收強度與化學基團的含量有關，可用於進行定量分析和純度鑒定。

另外，在化學反應的機理研究上，紅外光譜也發揮了一定的作用。但其應用最廣的還是未知化合物的結構鑒定。

紅外光譜不但可以用來研究分子的結構和化學鍵，如力常數的測定和分子對稱性的判據，而且還可以作為表徵和鑒別化學物種的方法。

例如氣態水分子是非線性的三原子分子，它的v1=3652厘米、v3=3756厘米、v2=1596厘米而在液態水分子的紅外光譜中，由於水分子間的氫鍵作用，使v1和v3的伸縮振動譜帶疊加在一起，在3402厘米處出現一條寬譜帶，它的變角振動v2位於1647厘米。

在重水中，由於氘的原子質量比氫大，使重水的v1和v3重疊譜帶移至2502厘米處，v2為1210厘米。以上現象說明水和重水的結構雖然很相近，但紅外光譜的差別是很大的。

紅外光譜具有高度的特徵性，所以採用與標准化合物的紅外光譜對比的方法來做分析鑒定已很普遍，並已有幾種標准紅外光譜匯集成冊出版，如《薩特勒標准紅外光柵光譜集》收集了十萬多個化合物的紅外光譜圖。近年來又將些這圖譜貯存在計算機中，用來對比和檢索。

E. 紅外光譜所表示的基本意義和信息

紅外光譜 [1] （infrared spectra），以波長或波數為橫坐標 以強度或其他隨波長變化的性質為縱坐標所得到的反映紅外射線與物質相互作用的譜圖。按紅外射線的波長范圍，可粗略地分為近紅外光譜（波段為0.8～2.5微米）、中紅外光譜（2.5～25微米）和遠紅外光譜（25～1000微米）。對物質自發發射或受激發射的紅外射線進行分光，可得到紅外發射光譜，物質的紅外發射光譜主要決定於物質的溫度和化學組成；對被物質所吸收的紅外射線進行分光，可得到紅外吸收光譜。每種分子都有由其組成和結構決定的獨有的紅外吸收光譜，它是一種分子光譜。分子的紅外吸收光譜屬於帶狀光譜。原子也有紅外發射和吸收光譜，但都是線狀光譜。 量子場論或量子電動力學可以正確地描述和解釋紅外射線（一種電磁輻射）與物質的相互作用。若採用半經典的理論處理方法，即對組成物質的分子和原子作為量子力學體系來處理，輻射場作為一種經典物理中的電磁波並忽略其光子的特徵，則分子紅外光譜是由分子不停地作振動和轉動而產生的。分子振動是指分子中各原子在平衡位置附近作相對運動，多原子分子可組成多種振動模式。當孤立分子中各原子以同一頻率、同一相位在平衡位置附近作簡諧振動時，這種振動方式稱簡正振動。含N個原子的分子應有3N－6個簡正振動方式；如果是線性分子，只有3N－5個簡正振動方式。圖中示出非線性3原子分子僅有的3種簡正振動模式。分子的轉動指的是分子繞質心進行的運動。分子振動和轉動的能量不是連續的，而是量子化的。當分子由一種振動（或轉動）狀態躍遷至另一種振動（或轉動）狀態時，就要吸收或發射與其能級差相應的光。 研究紅外光譜的方法主要是吸收光譜法。使用的光譜有兩種類型。一種是單通道或多通道測量的棱鏡或光柵色散型光譜儀，另一種是利用雙光束干涉原理並進行干涉圖的傅里葉變換數學處理的非色散型的傅里葉變換紅外光譜儀。 紅外光譜具有高度的特徵性，不但可以用來研究分子的結構和化學鍵，如力常數的測定等，而且廣泛地用於表徵和鑒別各種化學物種。 紅外識譜歌 紅外可分遠中近，中紅特徵指紋區， 1300來分界，注意橫軸劃分異。 看圖要知紅外儀，弄清物態液固氣。 樣品來源制樣法，物化性能多聯系。 識圖先學飽和烴，三千以下看峰形。 2960、2870是甲基，2930、2850亞甲峰。 1470碳氫彎，1380甲基顯。 二個甲基同一碳，1380分二半。 面內搖擺720，長鏈亞甲亦可辨。 烯氫伸展過三千，排除倍頻和鹵烷。 末端烯烴此峰強，只有一氫不明顯。 化合物，又鍵偏，～1650會出現。 烯氫面外易變形，1000以下有強峰。 910端基氫，再有一氫990。 順式二氫690，反式移至970； 單氫出峰820，干擾順式難確定。 炔氫伸展三千三，峰強很大峰形尖。 三鍵伸展二千二，炔氫搖擺六百八。 芳烴呼吸很特徵，1600～1430。 1650～2000，取代方式區分明。 900～650，面外彎曲定芳氫。 五氫吸收有兩峰，700和750； 四氫只有750，二氫相鄰830； 間二取代出三峰，700、780，880處孤立氫 醇酚羥基易締合，三千三處有強峰。 C－O伸展吸收大，伯仲叔醇位不同。 1050伯醇顯，1100乃是仲， 1150叔醇在，1230才是酚。 1110醚鏈伸，注意排除酯酸醇。 若與π鍵緊相連，二個吸收要看準， 1050對稱峰，1250反對稱。 苯環若有甲氧基，碳氫伸展2820。 次甲基二氧連苯環，930處有強峰， 環氧乙烷有三峰，1260環振動， 九百上下反對稱，八百左右最特徵。 縮醛酮，特殊醚，1110非縮酮。 酸酐也有C－O鍵，開鏈環酐有區別， 開鏈強寬一千一，環酐移至1250。 羰基伸展一千七，2720定醛基。 吸電效應波數高，共軛則向低頻移。 張力促使振動快，環外雙鍵可類比。 二千五到三千三，羧酸氫鍵峰形寬， 920，鈍峰顯，羧基可定二聚酸、 酸酐千八來偶合，雙峰60嚴相隔， 鏈狀酸酐高頻強，環狀酸酐高頻弱。 羧酸鹽，偶合生，羰基伸縮出雙峰， 1600反對稱，1400對稱峰。 1740酯羰基，何酸可看碳氧展。 1180甲酸酯，1190是丙酸， 1220乙酸酯，1250芳香酸。 1600兔耳峰，常為鄰苯二甲酸。 氮氫伸展三千四，每氫一峰很分明。 羰基伸展醯胺I，1660有強峰； N－H變形醯胺II，1600分伯仲。 伯胺頻高易重疊，仲醯固態1550； 碳氮伸展醯胺III，1400強峰顯。 胺尖常有干擾見，N－H伸展三千三， 叔胺無峰仲胺單，伯胺雙峰小而尖。 1600碳氫彎，芳香仲胺千五偏。 八百左右面內搖，確定最好變成鹽。 伸展彎曲互靠近，伯胺鹽三千強峰寬， 仲胺鹽、叔胺鹽，2700上下可分辨， 亞胺鹽，更可憐，2000左右才可見。 硝基伸縮吸收大，相連基團可弄清。 1350、1500，分為對稱反對稱。 氨基酸，成內鹽，3100～2100峰形寬。 1600、1400酸根展，1630、1510碳氫彎。 鹽酸鹽，羧基顯，鈉鹽蛋白三千三。 礦物組成雜而亂，振動光譜遠紅端。 鈍鹽類，較簡單，吸收峰，少而寬。 注意羥基水和銨，先記幾種普通鹽。 1100是硫酸根，1380硝酸鹽， 1450碳酸根，一千左右看磷酸。 硅酸鹽，一峰寬，1000真壯觀。 勤學苦練多實踐，紅外識譜不算難。 紅外光譜發展史 雨後天空出現的彩虹，是人類經常觀測到的自然光譜。而真正意義上對光譜的研究是從英國科學家牛頓(Newton) 開始的。1666 年牛頓證明一束白光可分為一系列不同顏色的可見光，而這一系列的光投影到一個屏幕上出現了一條從紫色到紅色的光帶。牛頓導入「光譜」（spectrum）一詞來描述這一現象。牛頓的研究是光譜科學開端的標志。 從牛頓之後人類對光的認識逐漸從可見光區擴展到紅外和紫外區。1800 年英國科學家W. Herschel 將來自太陽的輻射構成一副與牛頓大致相同的光譜，然後將一支溫度計通過不同顏色的光，並且用另外一支不在光譜中的溫度計作為參考。他發現當溫度計從光譜的紫色末端向紅色末端移動時，溫度計的讀數逐漸上升。特別令人吃驚的是當溫度計移動到紅色末端之外的區域時，溫度計上的讀數達到最高。這個試驗的結果有兩重含義，首先是可見光區域紅色末端之外還有看不見的其他輻射區域存在，其次是這種輻射能夠產生熱。由於這種射線存在的區域在可見光區末端以外而被稱為紅外線。（1801 年德國科學家J.W. Ritter 考察太陽光譜的另外一端，即紫色端時發現超出紫色端的區域內有某種能量存在並且能使AgCl 產生化學反應，該試驗導致了紫外線的發現。 1881年Abney 和Festing 第一次將紅外線用於分子結構的研究。他們Hilger光譜儀拍下了46個有機液體的從0.7到1.2微米區域的紅外吸收光譜。由於這種儀器檢測器的限制，所能夠記錄下的光譜波長范圍十分有限。隨後的重大突破是測輻射熱儀的發明。1880年天文學家Langley在研究太陽和其他星球發出的熱輻射時發明一種檢測裝置。該裝置由一根細導線和一個線圈相連，當熱輻射抵達導線時能夠引起導線電阻非常微小的變化。而這種變化的大小與抵達輻射的大小成正比。這就是測輻射熱儀的核心部分。用該儀器突破了照相的限制，能夠在更寬的波長范圍檢測分子的紅外光譜。採用NaCl作棱鏡和測輻射熱儀作檢測器，瑞典科學家Angstrem第一次記錄了分子的基本振動（從基態到第一激發態）頻率。1889年Angstrem首次證實盡管CO和CO2都是由碳原子和氧原子組成，但因為是不同的氣體分子而具有不同的紅外光譜圖。這個試驗最根本的意義在於它表明了紅外吸收產生的根源是分子而不是原子。而整個分子光譜學科就是建立在這個基礎上的。不久Julius發表了20個有機液體的紅外光譜圖，並且將在3000cm-1的吸收帶指認為甲基的特徵吸收峰。這是科學家們第一次將分子的結構特徵和光譜吸收峰的位置直接聯系起來。圖1是液體水和重水部分紅外光譜圖，主要為近紅外部分。圖中可觀察到水分子在739和970nm處有吸收峰存在，這些峰都處在可見光區紅色一端之外。由於氫鍵作用，液體水的紅外光譜圖比氣態水的譜圖要復雜得多。 紅外光譜儀的研製可追溯的20 世紀初期。1908 年Coblentz 制備和應用了用氯化鈉晶體為棱鏡的紅外光譜議；1910 年Wood 和Trowbridge6 研製了小階梯光柵紅外光譜議；1918 年Sleator 和Randall 研製出高分辨儀器。20 世紀40 年代開始研究雙光束紅外光譜議。1950 年由美國PE 公司開始商業化生產名為Perkin-Elmer 21 的雙光束紅外光譜議。與單光束光譜儀相比，雙光束紅外光譜議不需要由經過專門訓練的光譜學家進行操作，能夠很快的得到光譜圖。因此Perkin-Elmer 21 很快在美國暢銷。Perkin-Elmer 21 的問世大大的促進了紅外光譜儀的普及。 現代紅外光譜議是以傅立葉變換為基礎的儀器。該類儀器不用棱鏡或者光柵分光，而是用干涉儀得到干涉圖，採用傅立葉變換將以時間為變數的干涉圖變換為以頻率為變數的光譜圖。傅立葉紅外光譜儀的產生是一次革命性的飛躍。與傳統的儀器相比，傅立葉紅外光譜儀具有快速、高信噪比和高解析度等特點。更重要的是傅立葉變換催生了許多新技術，例如步進掃描、時間分辨和紅外成像等。這些新技術大大的拓寬了紅外的應用領域，使得紅外技術的發展產生了質的飛躍。如果採用分光的辦法，這些技術是不可能實現的。這些技術的產生，大大的拓寬了紅外技術的應用領域。 是用紅外成像技術得到的地球表面溫度分布和地球大氣層中水蒸氣含量圖。沒有傅立葉變換技術，不可能得到這樣的圖像。圖1.2 Perkin-Elmer 21 雙光束紅外光譜議。該儀器是由美國Perkin-Elmer 公司1950 開始製造，是最早期商業化生產的雙光束紅外光譜議。 紅外光譜的理論解釋是建立在量子力學和群論的基礎上的。1900 年普朗克在研究黑體輻射問題時，給出了著名的Plank 常數h, 表示能量的不連續性。量子力學從此走上歷史舞台。1911 年W Nernst 指出分子振動和轉動的運動形態的不連續性是量子理論的必然結果。1912 年丹麥物理化學家Niels Bjerrum 提出HCl 分子的振動是帶負電的Cl 原子核帶正電的H 原子之間的相對位移。分子的能量由平動、轉動和振動組成，並且轉動能量量子化的理論，該理論被稱為舊量子理論或者半經典量子理論。後來矩陣、群論等數學和物理方法被應用於分子光譜理論。隨著現代科學的不斷發展，分子光譜的理論也在不斷的發展和完善。分子光譜理論和應用的研究還在發展之中。多維分子光譜的理論和應用就是研究方向之一。

F. 如何進行紅外吸收光譜定性分析

光譜分析是一種根據物質的光譜來鑒別物質及確定它的化學組成，結構或者相對含量的方法。按照分析原理，光譜技術主要分為吸收光譜，發射光譜和散射光譜三種。

按照被測位置的形態來分類，光譜技術主要有原子光譜和分子光譜兩種。紅外光譜屬於分子光譜，有紅外發射和紅外吸收光譜兩種，常用的一般為紅外吸收光譜。

相關信息：

當分子中各原子以同一頻率、同一相位在平衡位置附近作簡諧振動時，這種振動方式稱簡正振動（例如伸縮振動和變角振動）。分子振動的能量與紅外射線的光量子能量正好對應，因此當分子的振動狀態改變時，就可以發射紅外光譜，也可以因紅外輻射激發分子而振動而產生紅外吸收光譜。

分子的振動和轉動的能量不是連續而是量子化的。但由於在分子的振動躍遷過程中也常常伴隨轉動躍遷，使振動光譜呈帶狀。所以分子的紅外光譜屬帶狀光譜。分子越大，紅外譜帶也越多。

G. 紅外光譜的應用

紅外光譜對樣品的適用性相當廣泛，固態、液態或氣態樣品都能應用，無機、有機、高分子化合物都可檢測。此外，紅外光譜還具有測試迅速，操作方便，重復性好，靈敏度高，試樣用量少，儀器結構簡單等特點，因此，它已成為現代結構化學和分析化學最常用和不可缺少的工具。紅外光譜在高聚物的構型、構象、力學性質的研究以及物理、天文、氣象、遙感、生物、醫學等領域也有廣泛的應用。
紅外吸收峰的位置與強度反映了分子結構上的特點，可以用來鑒別未知物的結構組成或確定其化學基團；而吸收譜帶的吸收強度與化學基團的含量有關，可用於進行定量分析和純度鑒定。另外，在化學反應的機理研究上，紅外光譜也發揮了一定的作用。但其應用最廣的還是未知化合物的結構鑒定。
紅外光譜不但可以用來研究分子的結構和化學鍵，如力常數的測定和分子對稱性的判據，而且還可以作為表徵和鑒別化學物種的方法。例如氣態水分子是非線性的三原子分子，它的v1=3652厘米、v3=3756厘米、v2=1596厘米而在液態水分子的紅外光譜中，由於水分子間的氫鍵作用，使v1和v3的伸縮振動譜帶疊加在一起，在3402厘米處出現一條寬譜帶，它的變角振動v2位於1647厘米。在重水中，由於氘的原子質量比氫大，使重水的v1和v3重疊譜帶移至2502厘米處，v2為1210厘米。以上現象說明水和重水的結構雖然很相近，但紅外光譜的差別是很大的。
紅外光譜具有高度的特徵性，所以採用與標准化合物的紅外光譜對比的方法來做分析鑒定已很普遍，並已有幾種標准紅外光譜匯集成冊出版，如《薩特勒標准紅外光柵光譜集》收集了十萬多個化合物的紅外光譜圖。近年來又將些這圖譜貯存在計算機中，用來對比和檢索。
分子中的某些基團或化學鍵在不同化合物中所對應的譜帶波數基本上是固定的或只在小波段范圍內變化，例如，
經常出現在1600～1750厘米，稱為羰基的特徵波數。許多化學鍵都有特徵波數，它可以用來鑒別化合物的類型，還可用於定量測定。由於分子中鄰近基團的相互作用（如氫鍵的生成、配位作用、共軛效應等），使同一基團在不同分子中所處的化學環境產生差別，以致它們的特徵波數有一定變化范圍（見下表）。 紅外光譜是物質定性的重要的方法之一。它的解析能夠提供許多關於官能團的信息，可以幫助確定部分乃至全部分子類型及結構。其定性分析有特徵性高、分析時間短、需要的試樣量少、不破壞試樣、測定方便等優點。
傳統的利用紅外光譜法鑒定物質通常採用比較法，即與標准物質對照和查閱標准譜圖的方法，但是該方法對於樣品的要求較高並且依賴於譜圖庫的大小。如果在譜圖庫中無法檢索到一致的譜圖，則可以用人工解譜的方法進行分析，這就需要有大量的紅外知識及經驗積累。大多數化合物的紅外譜圖是復雜的，即便是有經驗的專家，也不能保證從一張孤立的紅外譜圖上得到全部分子結構信息，如果需要確定分子結構信息，就要藉助其他的分析測試手段，如核磁、質譜、紫外光譜等。盡管如此，紅外譜圖仍是提供官能團信息最方便快捷的方法。
近年來，利用計算機方法解析紅外光譜，在國內外已有了比較廣泛的研究，新的成果不斷涌現，不僅提高了解譜的速度，而且成功率也很高。隨著計算機技術的不斷進步和解譜思路的不斷完善，計算機輔助紅外解譜必將對教學、科研的工作效率產生更加積極的影響。 紅外光譜定量分析法的依據是朗伯——比爾定律。紅外光譜定量分析法與其它定量分析方法相比，存在一些缺點，因此只在特殊的情況下使用。它要求所選擇的定量分析峰應有足夠的強度，即摩爾吸光系數大的峰，且不與其它峰相重疊。紅外光譜的定量方法主要有直接計演算法、工作曲線法、吸收度比法和內標法等，常常用於異構體的分析。
隨著化學計量學以及計算機技術等的發展，利用各種方法對紅外光譜進行定量分析也取得了較好的結果，如最小二乘回歸，相關分析，因子分析，遺傳演算法，人工神經網路等的引入，使得紅外光譜對於復雜多組分體系的定量分析成為可能。
量子力學研究表明，分子振動和轉動的能量不是連續的，而是量子化的，即限定在一些分立的、特定的能量狀態或能級上。以最簡單的雙原子為例，如果認為原子間振動符合簡諧振動規律，則其振動能量Ev可近似地表示為：
式中h為普朗克常數；v為振動量子數（取正整數）；v0為簡諧振動頻率。當v=0時，分子的能量最低，稱為基態。處於基態的分子受到頻率為v0的紅外射線照射時，分子吸收了能量為hv0的光量子，躍遷到第一激發態，得到了頻率為v0的紅外吸收帶。反之，處於該激發態的分子也可發射頻率為v0的紅外射線而恢復到基態。v0的數值決定於分子的約化質量μ和力常數k。k決定於原子的核間距離、原子在周期表中的位置和化學鍵的鍵級等。
分子越大，紅外譜帶也越多，例如含12個原子的分子，它的簡正振動應有30種，它的基頻也應有30條譜帶，還可能有強度較弱的倍頻、合頻、差頻譜帶以及振動能級間的微擾作用，使相應的紅外光譜更為復雜。如果假定分子為剛性轉子，則其轉動能量Er為：
式中j為轉動量子數（取正整數）；i為剛性轉子的轉動慣量。在某些轉動能級間也可以發生躍遷，產生轉動光譜。在分子的振動躍遷過程中也常常伴隨轉動躍遷，使振動光譜呈帶狀。
輔助解析
有機化合物的結構鑒定在有機化學、生物化學、葯物學、環境科學等許多領域越來越顯示出它的重要性，而在各種鑒定手段中紅外光譜以其方便靈敏的特性成為有機物結構鑒定的重要手段，除了它對分析結構特徵反應靈敏這一特點外，紅外光譜儀與計算機直接聯機，也為引進一些與計算機科學有關的智能手段創造了條件。
各種現代化的分析儀器的出現和廣泛應用，使得在短時間內獲得物質體系大量信息成為可能，這為化學計量學的數據挖掘研究提供了機遇。由光譜儀器記錄下來的譜圖中包含大量的結構信息，但是目前還不能實現復雜分子光譜譜圖的直接計算，其解析主要還憑借經驗，對一個不是長期從事結構鑒定的人來說，解析一張光譜譜圖是一項很困難的工作。實際上，即使對不太復雜的分子，也難於指定所有雜原子所處的官能團和峰的歸屬，而依靠各種計算機檢索系統也會受到各種限制，諸如譜圖庫中數據有限，或測定條件（儀器的類型、具體的實驗條件等）與標准圖譜所用的條件不同而造成各吸收峰位置的改變等。另外由於紅外譜圖極其復雜，構成化合物的原子質量不同，化學鍵的性質不同，原子的連接次序和空間位置的不同都會造成紅外光譜的差別。這些都使紅外光譜的解析復雜化。如果能由計算機學習和存儲紅外光譜知識，用計算機輔助完成解析譜圖的工作，自然是一件很有意義的事。
幾十年以來，人們一直在探索將紅外圖譜的解析智能化。隨著商品化紅外光譜儀的計算機化，出現了許多計算機輔助紅外光譜識別方法，這些方法大致可以分為三類：譜圖檢索系統、專家系統、模式識別方法。 譜圖檢索的主要優點是能夠收集大量的光譜，只要根據未知物的光譜譜圖就能識別化合物而無需其他數據（例如分子式等），它的程序也比較簡單。但是它也有一些不可克服的缺點：
首先，檢索系統的能力與譜圖庫存儲的化合物的數量成正比，我們不可能把自然界所有的化合物收集其中，譜圖庫的發展總是滯後於有機化學的發展。其次，光譜儀器隨著技術的發展不斷改進：波譜范圍不斷擴大，解析度不斷提高，低溫技術得到應用，一些新儀器的出現，這就要求原有的譜圖庫要不斷修改，而龐大的譜圖庫在短時間內是辦不到的。由於檢索方法的這些特點，決定了它不能作為結構鑒定的一種完整的手段。
專家系統
計算機輔助結構解析的另一種方法是專家系統。它所研究的領域包括：數學證明，程序編寫，行為科學與心理學，生命科學與醫學等。
目前設計的專家系統解析譜圖的一般方法是：在計算機里預先存儲化學結構形成光譜的一些規律；由未知物譜圖的一些光譜特徵推測出未知物的一些假想結構式；根據存儲規律推導出這些假想結構式的理論譜圖，再將理論譜圖與實驗譜圖進行對照，不斷對假想結構式進行修正，最後得到正確的結構式。但是，目前分子中各種基團的吸收規律，主要還是通過經驗或者人工獲得。人工比較大量的已知化合物的紅外譜圖，從中總結出各種基團的吸收規律，其結果雖比較真實地反映了紅外光譜與分子結構的對應關系，卻不夠准確，特別是這些經驗式的知識難以用計算機處理，使計算機專家解析系統難以實用化。
模式識別
模式識別的發展是從五十年代開始的，就是用機器代替人對模式進行分類和描述，從而實現對事物的識別。隨著計算機技術的普遍應用，處理大量信息的條件已經具備，模式識別在六十年代得到了蓬勃發展，並在七十年代初奠定了理論基礎，從而建立了它自己獨特的學科體系。模式識別已經應用到分析化學領域的有關方面，其中涉及最多的是分子光譜的譜圖解析，在一些分類問題上獲得了成功。
Munk等於1990年首次將線性神經網路應用於紅外光譜的子結構解析，把紅外光譜的解析帶入了一個全新的領域，從此引起紅外光譜的計算機解析熱潮。隨後各種方法，如各種人工神經網路，偏最小二乘，信號處理方法如小波變換等逐步引入到紅外光譜的計算機解析中，使模式識別在紅外光譜的應用中得到很好的發展。
Cabrol-Bass等使用了一個分等級的神經網路系統識別紅外光譜的子結構。首先把10000個化合物光譜分為含苯環、含羥基、含羰基、含C-NH以及含C=C等5大類，隨後把這幾個類進行進一步分類，總共33個子結構。每一個下級網路使用上一級網路輸出的結果。以3596~500 cm-1波段每12 cm-1取259個點作為神經網路的輸入，輸出為「1」和「0」，分別代表子結構存在和不存在。使用了含有一個隱含層30個節點的反向傳播神經網路對每個子結構進行識別，對化合物作了全面但較為粗略的分類，涉及了資料庫中一些常見化合物。
這些研究中大部分利用神經網路對子結構進行識別，而對特定類別的化合物沒有做深入研究，對化合物的特徵吸收峰也沒有深入的討論。另外，其中應用最多的人工神經網路在識別子結構時，對結構碎片的預測准確度不是很高，且神經網路存在不穩定、容易陷入局部極小和收斂速度慢等問題。
因此，近年來，人們一直在尋找一種更好的模式識別方法來進行紅外光譜的結構解析。Vapnik等人於1995年在統計學習理論(Statistical Learning Theory, SLT)的基礎上提出了支持向量機(Support vector machine, SVM)，它根據有限的樣本信息在模型的復雜性和學習能力之間尋求最佳折衷，以期獲得最好的泛化能力。SVM目前在化學中得到了一些較成功的應用，SVM可以較好的對紅外光譜的子結構進行識別，與ANN相比，SVM還具有穩定以及訓練速度快等優點，是一種很好的輔助紅外光譜解析的工具。

H. 紅外 紫外 熒光 原子吸收光譜 原理

紫外-可見吸收光譜的產生及基本原理
2.1 物質對光的選擇性吸收
分子的紫外-可見吸收光譜是基於分子內電子躍遷產生的吸收光譜進行分析的一種常用的光譜分析方法。當某種物質受到光的照射時，物質分子就會與光發生碰撞，其結果是光子的能量傳遞到了分子上。這樣，處於穩定狀態的基態分子就會躍遷到不穩定的高能態，即激發態：

M（基態）+hv------M*（激發態）

這就是對光的吸收作用。

由於物質的能量是不連續的，即能量上一量子化的。只有當入射光的能量（hv）與物質分子的激發態和基態的能量差相等時才能發生吸收
△E=E2-E1= hv=hc/λ
而不同的物質分子因其結構的不同而具有不同的量子化能級，即△E不同，故對光的吸收也不同。

名詞：吸收光譜曲線（光吸收曲線）PPP7：它反映了物質對不同波長光的吸收情況。PPP7圖2-1表示不同濃度的高錳酸鉀溶液的吸收光譜。

紫外-可見吸收光譜定性分析的依據：光吸收程度最大處的波長叫做最大吸收波長，用λmax表示，同一種吸光物質，濃度不同時，吸收曲線的形狀不同，λmax不變，只是相應的吸光度大小不同，這是定性分析的依據。

紫外-可見吸收光譜定量分析的依據：朗伯-比爾定律。
2.2 朗伯-比爾定律。
紫外-可見分光光度計的定量分析的依據是朗伯-比爾定律。
當單色光通過液層厚度一定的含吸光物質的溶液後，溶液的吸光度A與溶液的濃度c成正比，此公式的物理意義是，當一束平行的單色光通過均勻的含有吸光物質的溶液後，溶液的吸光度與吸光物質濃度及吸收層厚度成正比。

2.3 偏離比爾定律的原因
主要原因：目前儀器還不能提供真正的單色光以及吸光物質性質的改變。
（1）非單色光引起的偏離
（2）由於溶液本身的化學和物理因素引起的偏離

I. 量子化學和分子光譜的關系

分子光譜可以通過量子化學計算。

量子化學：quantum chemistry，是理論化學的一個分支學科，是應用量子力學的基本原理和方法研究化學問題的一門基礎科學。研究范圍包括穩定和不穩定分子的結構、性能及其結構與性能之間的關系；分子與分子之間的相互作用；分子與分子之間的相互碰撞和相互反應等問題。
分子光譜：分子從一種能態改變到另一種能態時的吸收或發射光譜（可包括從紫外到遠紅外直至微波譜）。分子光譜與分子繞軸的轉動、分子中原子在平衡位置的振動和分子內電子的躍遷相對應。

J. 紅外光譜分析的常用術語

1. 光譜的產生：
分子中基團的振動和轉動能級躍遷產生振-轉光譜，稱紅外光譜。
2. 所需能量：
近紅外（14000-4000cm-1），中紅外（4000-400cm‑1），遠紅外（400-10cm‑1）
3. 研究對象：
具有紅外活性的化合物，即含有共價鍵、並在振動過程中伴隨有偶極矩變化的化合物。
4. 用途：
結構鑒定、定量分析和化學動力學研究等。 1. 振動頻率
對於雙原子分子，可認為分子中的原子以平衡點為中心，以非常小的振幅作周期性的振動即化學鍵的振動類似於連接兩個小球的彈簧（如下圖） ，可按簡諧振動模式處理，由經典力學導出振動頻率：
2.振動能級（量子化）：
按量子力學的觀點，當分子吸收紅外光譜發生躍遷時，要滿足一定的要求，即振動能級是量子化的，可能存在的能級滿足下式：
E 振 =（ V+ 1/2 ）h n
n ：化學鍵的 振動頻率； V ：振動量子數。
任意兩個相鄰的能級間的能量差為：
（用波數表示）
其中：K 為 化學鍵的力常數，與鍵能和鍵長有關； m 為雙原子的摺合質量。
發生振動能級躍遷需要能量的大小取決於鍵兩端原子的摺合質量和鍵的力常數，即取決於分子的結構特徵。
化學鍵鍵強越強（即鍵的力常數 K 越大）原子摺合質量越小，化學鍵的振動頻率越大，吸收峰將出現在高波數區。
鍵類型 -C≡C- > -C=C- > -C-C-
力常數 15-17 9.5-9.9 4.5-6.6
峰位 4.5mm 6.0mm 7.0mm 1. 紅外光的頻率與分子中某基團振動頻率一致；
2. 分子振動引起瞬間偶極矩變化
完全對稱分子，沒有偶極矩變化，輻射不能引起共振，無紅外活性， 如：N2 、 O2 、 等；非對稱分子有偶極矩，屬紅外活性，如 HCl。偶極子在交變電場中的作用可用下圖表示：
偶極子在交變電場中的作用示意圖 1.位置：
由振動頻率決定，化學鍵的力常數 K 越大，原子摺合質量 m 越小，鍵的振動頻率越大，吸收峰將出現在高波數區（短波長區）；反之，出現在低波數區（高波長區）；
2.峰數：
分子的基本振動理論峰數，可由振動自由度來計算，對於由 n 個原子組成的分子，其自由度為3 n
3n= 平動自由度+振動自由度+轉動自由度
分子的平動自由度為3，轉動自由度為：非線性分子3，線性分子2
振動自由度=3 n- 平動自由度-轉動自由度
非線性分子：
振動自由度=3 n-6
線性分子：
振動自由度=3 n-5
絕大多數化合物紅外吸收峰數遠小於理論計算振動自由度，其原因有：無偶極矩變化的振動不產生紅外吸收；吸收簡並；吸收落在儀器檢測范圍以外；儀器解析度低，譜峰重疊等。
3．強度：
紅外吸收的強度與 躍遷幾率的大小和振動偶極矩變化的大小有關，躍遷幾率越大、振動偶極矩越大，則吸收強度越大。
4 ．紅外光譜圖：
縱坐標為吸收強度，橫坐標為波長 λ ， （ μ m ），和波數 1/ λ ，單位：cm -1 ，可以用峰數，峰位，峰形，峰強來描述