傅立葉紅外光譜原理

傅立葉紅外光譜原理

傅立葉變換紅外光譜儀的核心部分是邁克爾遜（Michelson）干涉儀，其示意圖如（圖5.8）所示。動鏡通過移動產生光程差，由于vm一定，光程差與時間有關。光程差產生干涉信號，得到干涉圖。光程差d = 2d，d代表動鏡移動離開原點的距離與定鏡與原點的距離之差。由于是一來一回，應乘以2。若d=0，即動鏡離開原點的距離與定鏡與原點的距離相同,則無相位差，是相長干涉；若d=l/4，d=l/2 時，位相差為l/2，正好相反，是相消干涉；d=l/2，d=l 時，又為相長干涉?？傊?，動鏡移動距離是l/4的奇數倍，則為相消干涉，是l/4的偶數倍，則是相長干涉。因此動鏡移動產生可以預測的周期性信號。

紅外及拉曼光譜都是分子振動光譜。通過譜圖解析可以獲取分子結構的信息。任何氣態、液態、固態樣品均可進行紅外光譜測定，這是其它儀器分析方法難以做到的。由于每種化合物均有紅外吸收，尤其是有機化合物的紅外光譜能提供豐富的結構信息，因此紅外光譜法是有機化合物結構解析的重要手段之一。
傅立葉變換紅外光譜儀是20世紀70年代發展起來的新一代紅外光譜儀，它具有以下特點：一是掃描速度快，可以在1s內測得多張紅外譜圖；二是光通量大，可以檢測透射較低的樣品，可以檢測氣體、固體、液體、薄膜和金屬鍍層等不樣品；三是分辨率高，便于觀察氣態分子的精細結構；四是測定光譜范圍寬，只要改變光源、分束器和檢測器的配置，就可以得到整個紅外區的光譜。廣泛應用于有機化學、高分子化學、無機化學、化工、催化、石油、材料、生物、醫藥、環境等領域。
通過學習紅外光譜儀的構成和使用方法，及其在定性、定量分析中的應用，培養學生嚴謹的科學態度、細致的工作作風、實事求是的數據報告和良好的實驗習慣（準備充分、操作規范，記錄簡明，臺面整潔、實驗有序，良好的環保和公德意識）。培養培養學生的動手能力、理論聯系實際的能力、統籌思維能力、創新能力、獨立分析解決實際問題的能力、查閱手冊資料并運用其數據資料的能力以及歸納總結的能力等。
3、實驗原理
紅外吸收光譜分析方法主要是依據分子內部原子間的相對振動和分子轉動等信息進行測定。
(1) 雙原子分子的紅外吸收頻率
分子振動可以近似地看作是分子中原子心平衡點為中心，以很小的振幅做周期性的振動。這種振動的模型可以用經典的方法來模擬。如圖1所示，m1和m2分別代表兩個小球的質量，即兩個原子的質量，彈簧的長度就是化學鍵的長度。這個體系的振動頻率取決于彈簧的強度，即化學鍵的強度和小球的質量。其振動是在連接兩個小球的鍵軸方向發生的。

式中， 是頻率，Hz； 是波數，cm-1；k是化學鍵的力常數，g/s2；c是光速(3×1010cm/s)； 是原子的折合質量( =m1m2/(m1+m2)。
一般來說，單鍵的k=4×105～6×105 g/s2；雙鍵的k=8×105～12×105 g/s2；叁鍵的k=12×105～20×105 g/s2。
(2) 多原子分子的吸收頻率
雙原子分子振動只能發生在聯接兩個原子的直線上，并且只有一種振動方式，而多原子分子振動則有多種振動方式。假設由n個原子組成，每一個原子在空間都 有3個自由度，則分子有3n個自由度。非線性分子的轉動有3個自由度，線性分子則只有2個轉動自由度，因此非線性分子有3n-6種基本振動，而線性分子有3n-5種基本振動。以H2O分子為例，其各種振動如圖所示，水分子由3個原子組成并且不在一條直線上，其振動方式應有3×3－6＝3個，分別是對稱和非對稱伸縮振動和彎曲振動。O－H鍵長度改變的振動稱為伸縮振動，鍵角小于HOH改變的振動稱為彎曲振動。通常鍵長的改變比鍵角的改變需要更大的能量，因此伸縮振動出現在高波數區，彎曲振動出現在低波數區。
(3) 紅外光譜及其表示方法
紅外光譜所研究的是分子中原子的相對振動，也可歸結為化學鍵的振動。不同的化學鍵或官能團，其振動能級從基態躍遷到激發態所需要的能量不同，因此要吸收不同的紅外光。
物理吸收不同的紅外光，將在不同波長上出現吸收峰。紅外光譜就是這樣形成的。
紅外光譜的表示方法如下圖所示：

典型的紅外光譜。橫坐標為波數(cm-1，最常見)或波長(m)，縱坐標為透光率或吸光度。
紅外波段通常分為近紅外（13300～4000cm-1）、中紅外（4000～400cm-1）和遠紅外（400～10cm-1）。其中研究最為廣泛的是中紅外區。
(4) 紅外譜帶的強度
紅外吸收峰的強度與偶級矩變化的大小有關，吸收峰的強弱與分子振動時偶極矩變化的平方成正比，一般，永久偶極矩變化大的，振動時偶極矩變化也較大，如C=O（或C-O）的強度比C=C（或C-C）要大得多，若偶極矩變為零，則無紅外活性，即無紅外吸收峰。