3.4　量子学说和分子内部的能级

红外光谱源于分子内部运动状态的改变，要了解与利用光谱，必须对分子的运动做一考察，这对认识物质的加热与干燥过程亦是极为有益的。

在量子学说没有建立以前，人们对光谱的研究几乎全是靠经验，量子学说的建立和发展使红外光谱有了理论指导。根据量子学的观点，物质在入射光的照射下，分子吸收光能后，自己能量的增加是跳跃式的，即不是连续变化的。每个光子的能量hν取决于两个能级间的能量差ΔE，即：

ΔE=E₂-E₁=hν　　　（3-2）

式中，h为普朗克（量子）常数，h=6.624×10^-34J·s；ν为光的频率，s^-1；E₁、E₂分别为初能级和终能级的能量。

由式（3-2）可知，能级差ΔE越大，则吸收光谱的频率越高（即波长越短）。图3-1为双原子分子能级示意，由图中可见，转动能级间的间隔最小，ΔE<0.05eV（eV为电子伏特。1eV=1.6×10^-19J），欲使转动能级跃迁仅需远红外光或微波照射即可。振动能级间距较大，ΔE=0.05～1.0eV，欲使振动能级跃迁就需要短波的光能，振动光谱出现在中红外区，但振动跃迁时伴随有转动跃迁的发生，所以中红外光谱也称分子的振动-转动光谱。电子能级的跃迁ΔE=1～20eV，因此，电子跃迁光谱只能在可见光、紫外线或波长更短的光谱区。实际的分子吸收光谱相当复杂，作为一级近似，分子的运动能量可分为平动、转动、振动和电子的运动，运动状态都属一定的能级（实际上电子能级间隔比图示大得多，而转动能级间隔比图示小得多），因此，分子的总能量为：

图3-1　双原子分子能级示意

E=E₀+E_平+E_转+E_振+E_电　　　（3-3）

式中，E₀为分子内能，是不随分子运动而改变的能量，即所谓“零点能”；E_平为分子的空间运动或热运动能或称平移运动能，它的能量是连续变化的，不产生光谱，对流换热属这一能量。分子从较低能级E₁跳跃到较高能级E₂时，要吸收电磁辐射即吸收光子，对于红外辐射加热干燥，波长在2～25μm的范围，属振动-转动吸收光谱范围，即包括E_转+E_振，因此，仅就分子的振动光谱加以分析，这也是红外辐射强化烤漆的理论基础之一，即为什么中波烤漆比长波烤漆强化。上述这一分析和普朗克及爱因斯坦论是一致的。