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적외선 분광법

분자의 진동운동은 질량이 없는 용수철(원자가 결합)에 연결되어 있는 점질량(원자핵)모형으로 설명할 수 있다.

고전역학에 의하면 공명에 의해 특정 진동수를 갖는 진동이 주로 일어나게 된다. 이들은 각기 다른 형태의 운동에 관련되어 있으며 고유한 진동수를 갖는 이들 운동을 기준진동방식이라고 한다. 그림2는 선형분자인 이산화탄소의 기준진동방식을 나타낸 것이다. 실제로 분자는 양자역학을 따르지만 이것에 의한 계산도 위의 결과와 비슷한 형태를 보여준다. 적외선 스펙트럼에는 이들 기준진동방식들 중에서 그 운동에 의해 분자의 자기 쌍극자 모멘트가 바뀌는 것만이 나타나게 된다.

분자의 적외선 스펙트럼은 매우 특징적이어서 화학자들이 물질을 확인하는 데 많이 이용한다. 뿐만 아니라 특정 작용기는 분자에 상관없이 거의 일정한 진동수에서 나타나기 때문에 분자 내에 특정 작용기가 존재하는지를 확인하는 데도 쓰일 수 있다. 한편 적외선 스펙트럼으로부터 분자 내의 원자들 사이의 결합력을 구할 수도 있으며, 분자의 대칭성에 관한 정보도 얻을 수 있다.

라만 분광법

라만 분광법은 분자에 의해 광자가 산란되는 사실을 이용한 것이다.

이는 적외선 분광법처럼 분자의 진동운동에 관한 정보를 제공해주며, 이들 두 분광법의 차이점은 분자가 특정 대칭성을 지닐 때 선택률이 달라진다는 것이다. 기체 상태의 작은 분자인 경우 순수회전 라만 스펙트럼도 관찰되었다.

가시 스펙트럼과 자외선 스펙트럼

색깔을 띠고 있는 물질들은 가시영역의 복사파를 흡수한다.

이 영역이 자외선 쪽으로 옮겨가면 더 많은 물질들이 흡수띠를 보인다. 이런 흡수는 거의 모두 전자가 들뜬 상태로 전이되기 때문이다. 분자 내에서의 전자 상태를 근사적으로 기술하는 여러 가지 방법들이 개발되었다. 그중 대표적인 것으로는 분자궤도함수(molecular orbital/MO)를 들 수 있다. 이는 전자들 사이의 복잡한 상호작용을, 한 전자를 기준으로 한 다른 전자들의 평균적인 상호작용으로 대체시켜 각 전자에 대한 MO를 구하는 것이다.

이로부터 바닥 상태에서 채워진 것 중에서 가장 에너지가 큰 MO로부터, 비어 있는 것 중에서 에너지가 가장 낮은 MO로 전이를 하게 된다. 그림3은 분자궤도함수의 에너지 점유 도표를 나타낸 것이다. 그러나 실제 전자의 반발작용을 충분히 표현할 수 없기 때문에 오차가 생긴다. 보통의 경우는 한 분자를 이루는 여러 원자들로부터 생기는 둘 이상의 원자궤도함수를 조합하여 MO를 구한다.

이 가시-자외선 스펙트럼을 이용하여 이원자분자를 각각의 원자로 쪼개는 데 필요한 에너지를 정확히 구할 수 있다.

전자분광법

에너지가 아주 높은 복사선이 물질을 통과하면, 분자의 구속력이 미치는 에너지 준위 밖으로 전자가 완전히 빠져나오게 되어 분자는 양이온이 된다.

여기서 빠져나온 전자는 여분의 에너지를 운동에너지의 형태로 갖게 되며, 이를 측정하여 이온의 에너지 상태를 알 수 있게 된다. 이 전자 스펙트럼으로부터 원자를 확인하고 관련된 정보를 얻을 수 있다.

분자 빔 분광법

긴 파장 영역에서 생기는 도플러 효과를 없애기 위해 분자를 가는 광선 형태로 만들게 되는데 이를 분자 빔(molecular-beam)이라 한다.

미국의 물리학자 레이비는 이것을 이용한 분자 빔 분광계를 개발했다. 같은 회전-진동 에너지 준위가 전기·자기장에 영향을 받아 서로 다르게 공간양자화되며, 이들 사이의 전이를 이 분자 빔 분광계로 관찰할 수 있게 된다. 또한 분자의 회전에 의해 생기는 자기 모멘트와 원자핵의 자기 모멘트에 의해 생기는 초미세구조에서의 전이도 관찰할 수 있고, 분자의 전기 쌍극자 모멘트도 정확하게 측정할 수 있다.