分子光谱分析精品PPT课件
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《分子光谱分析》课件
对未来学习的建议与展望
深入学习光谱分析理论
掌握先进的光谱分析技术
建议学习者进一步深入学习光谱分析的理 论基础，理解各种光谱分析方法的物理机 制和术和 新方法，了解并掌握最新的光谱分析技术 。
加强实验技能训练
拓展光谱分析应用领域
建议学习者多进行实验操作，提高实验技 能和数据分析能力，培养解决实际问题的 能力。
03
学习如何利用分子光谱分析技术 解决实际问题，培养实验设计和 数据分析的能力。
04
了解分子光谱分析在科研和工业 生产中的应用，培养解决实际问 题的能力。
02
分子光谱分析的基本原理
光的吸收和发射
光的吸收
当光子与分子相互作用时，如果光子的能量与分子某能级差相等，则该能级上 的电子可发生跃迁，从低能级跃迁到高能级，分子吸收光子并吸收能量。
原子光谱
由原子能级间的跃迁产生，包括线状光谱和连续光谱。
分子光谱
由分子振动和转动能级间的跃迁产生，包括带状光谱和漫散光谱。
03
分子光谱分析的实验技术
实验设备与仪器
红外光谱仪
用于测量分子振动和旋转的频率，从而推 断分子的结构和性质。
紫外可见光谱仪
用于测量分子电子跃迁的频率，从而推断 分子的电子结构和性质。
04
分子光谱分析的应用
在化学研究中的应用
化学反应机理研究
通过分子光谱分析，可以 研究化学反应过程中分子 结构和振动、转动变化， 从而揭示化学反应机理。
化学合成过程监控
在化学合成过程中，利用 分子光谱分析可以实时监 测反应进程，指导反应条 件优化和产物纯度控制。
化合物结构鉴定
分子光谱分析能够提供化 合物的特征光谱，通过比 对标准谱库可以确定化合
分子光谱分析Chapter01
0.3 Differences between emission and absorption of radiation 吸光：基态→电子各激发态跃迁 吸光：基态→电子各激发态跃迁; 发射： υ 发射：S1(υ=0)→S0(υ=i)的辐射跃迁 υ 的辐射跃迁;
分别携带被观察物体的激发态或基态信息 信息， 分别携带被观察物体的激发态或基态信息，可以从不同侧面 激发态 了解物质的内部结构。 了解物质的内部结构。
发光概述?chp1荧光分析?principleoffluorimetry荧光的原理?thefluorescencemechanism荧光方法?characteristicsoffluorescencespectrum荧光光谱特性?fluorescencedecayandlifetime荧光衰减和寿命?quantumyield量子产率?fluorescenceintensity荧光强度01发光现象luminescentphenomena煤气燃烧蓝色火焰炽热铁丝黄色火焰煤气燃烧蓝色火焰炽热铁丝黄色火焰发光介绍introductiontoluminescence荧光灯管电激发发光白炽灯泡发光汞灯365nm3brcarbazole奇特磷光奇特磷光ex363nm光棒化学反应发光汞灯365nmfonkos菌悬浮液takenfromdrternuraevenmanysinglecelledorganismsarebioluminescent
二、发光的类型 (Type of luminescence )？ • Photoluminescence (光致发光 光致发光): 光致发光 Fluorescence/Fluorimetry; Phosphorescence/Phosphorimetry; • Chemiluminescence (化学发光 化学发光); 化学发光 • Bioluminescence (生物发光 生物发光); 生物发光 • Radioluminescence (辐射发光 辐射发光); 辐射发光 • Electroluminescence(电致发光 电致发光); 电致发光 • Sonoluminescence(声致发光 声致发光); 声致发光
原子光谱与分子光谱ppt课件
2024/7/28
“雪亮工程"是以区（县）、乡（镇） 、村（ 社区） 三级综 治中心 为指挥 平台、 以综治 信息化 为支撑 、以网 格化管 理为基 础、以 公共安 全视频 监控联 网应用 为重点 的“群 众性治 安防控 工程” 。
一、 原子光谱
1.光谱项符号
原子外层有一个电子时，其能级可由四个量子数决定： 主量子数 n；角量子数 l；磁量子数 m；自旋量子数 s； 原子外层有多个电子时，其运动状态用总角量子数L；总 自旋量子数S；内量子数J 描述；
例：钠原子，一个外层电子， S =1/2；因此： M =2( S ) +1 = 2；双重线； 碱土金属：两个外层电子， 自旋方向相同时， S =1/2 + 1/2 =1， M = 3；三重线； 自旋方向相反时， S =1/2 － 1/2 =0， M = 1；单重线；
2024/7/28
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元素由基态到第一激发 态的跃迁最易发生，需要的 能量最低，产生的谱线也最 强，该谱线称为共振线 ，也 称为该元素的特征谱线；
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一、 原子光谱
1.光谱项符号
原子外层有一个电子时，其能级可由四个量子数决定： 主量子数 n；角量子数 l；磁量子数 m；自旋量子数 s； 原子外层有多个电子时，其运动状态用总角量子数L；总 自旋量子数S；内量子数J 描述；
例：钠原子，一个外层电子， S =1/2；因此： M =2( S ) +1 = 2；双重线； 碱土金属：两个外层电子， 自旋方向相同时， S =1/2 + 1/2 =1， M = 3；三重线； 自旋方向相反时， S =1/2 － 1/2 =0， M = 1；单重线；
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元素由基态到第一激发 态的跃迁最易发生，需要的 能量最低，产生的谱线也最 强，该谱线称为共振线 ，也 称为该元素的特征谱线；
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3-分子光谱
3.2 红外吸收光谱 （infrared absorption spectra）
• 分子吸收红外辐射（0.75-1000μm）由振动 能级跃迁(振动基态 振动激发态)产生的。 因同时伴有转动能级跃迁，又称振-转光谱， 是由吸收带组成的带状光谱。
• 红外辐射与物质相互作用，必须有分子偶 极矩的变化才能产生红外吸收光谱。这种 分子振动为红外活性的，反之则称为非红 外活性的。
• 光源：常用氖灯或高压汞灯(而不用钨灯或 氢灯)作光源。光通量大、峰值功率高、单 色性好、发光的光脉冲持续时间短等优点， 因此具有较高的灵敏度和选择性。
• 单色器：光栅作单色器。
• 检测器：光电倍增管的放大强度较低的荧 光信号。
• 样品池一般为圆柱形或矩形，用玻璃或硅 材料制成（减少散射对检测器的干扰)。
1．分子荧光与有机化合物结构 的关系
• 升高体系的温度对大多数分子都会降低荧光量子效率。 这是因为在较高温度下分子碰撞频率增加，从而增加 了通过外部转移使激发态分子失活的机会，出现荧光 强度减小效应。
• 极性溶剂中n*跃迁能级差常常增大，而*跃迁 能级差减小。这有时会使*的能量降至低于n* 跃迁的能量，此时*跃迁占主导地位，而、*状 态的寿命小于n、*状态，从而减少了无辐射失活的机 会，结果荧光发射增强。
• 生色团、助色团在紫外-可见光光谱进行物质结构 分析中有重要意义。
红移、蓝移
红移-----溶剂效应使吸收峰向长波方向移动。 蓝移-----溶剂效应使吸收峰向短波方向移动。
3．吸收定律
激发过程: M + h M*
电子激发态粒子M*寿命很短(10-8-10-9s) 松弛过程:
M* M + 热能 激发能转变为热能(检测不到) M* 分解形成新的分子 ---- 光化学反应；
原子光谱和分子光谱PPT讲稿
（3）化学发光光谱：化学反应物或反应产物受反应释放的 化学能激发而产生的光辐射。（用于化学发光光谱分析法： 发光总强度与分析物浓度成正比。)
光致发光示意图.swf
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I f kC
2、分子发光光谱
（1）分子荧光光谱：光致发光，用于分子荧光光谱分析法 （MFS） 定性：荧光光谱 定量：对于一给定的物质，当激发光波长和强度一定时， 发射荧光的强度与物质浓度成正比。
（2）分子磷光光谱：光致发光，用于分子磷光光谱分析 （MPS） 在一定条件下，发射磷光的强度与物质浓度成正比。 荧光与磷光的比较：二者均为光致发光，但发光机理不同 荧光：入射光停止照射，荧光几乎立即停止； 磷光：入射光停止照射，磷光还可持续～10秒。
发射光谱
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二、分子光谱
•分子光谱（带光谱）：
基于分子中电子能级、振转能级跃迁而产生的光谱。
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分子光谱（带状光谱）
原子光谱为线状光谱， 分子光谱为带状光谱； 为什么分子光谱为带状光谱？
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原子光谱图 分子光谱图
（一）分子的能级与跃迁 1.分子的能量
E=Ee+ Ev + Er + En + Et + Ei 分子中原子的核能： En 分子的平移能：Et 电子运动能： Ee 原子间相对振动能： Ev 分子转动能： Er 基团间的内旋能： Ei
在一般化学反应中， En不变； Et 、 Ei较小； E=Ee+ Ev + Er
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2. 分子的能级：电子能级、振动能级、转动能级
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（二）分子吸收光谱和分子发光光谱
1、分子吸收光谱：分子对辐射能的选择吸收 由基态或较低能级跃迁到较高能级产生的分 子光谱。
光致发光示意图.swf
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2、分子发光光谱
（1）分子荧光光谱：光致发光，用于分子荧光光谱分析法 （MFS） 定性：荧光光谱 定量：对于一给定的物质，当激发光波长和强度一定时， 发射荧光的强度与物质浓度成正比。
（2）分子磷光光谱：光致发光，用于分子磷光光谱分析 （MPS） 在一定条件下，发射磷光的强度与物质浓度成正比。 荧光与磷光的比较：二者均为光致发光，但发光机理不同 荧光：入射光停止照射，荧光几乎立即停止； 磷光：入射光停止照射，磷光还可持续～10秒。
发射光谱
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二、分子光谱
•分子光谱（带光谱）：
基于分子中电子能级、振转能级跃迁而产生的光谱。
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分子光谱（带状光谱）
原子光谱为线状光谱， 分子光谱为带状光谱； 为什么分子光谱为带状光谱？
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原子光谱图 分子光谱图
（一）分子的能级与跃迁 1.分子的能量
E=Ee+ Ev + Er + En + Et + Ei 分子中原子的核能： En 分子的平移能：Et 电子运动能： Ee 原子间相对振动能： Ev 分子转动能： Er 基团间的内旋能： Ei
在一般化学反应中， En不变； Et 、 Ei较小； E=Ee+ Ev + Er
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2. 分子的能级：电子能级、振动能级、转动能级
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（二）分子吸收光谱和分子发光光谱
1、分子吸收光谱：分子对辐射能的选择吸收 由基态或较低能级跃迁到较高能级产生的分 子光谱。
分子光谱分析PPT课件
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11
（3）核磁共振波谱法
（Nuclear Magnetic Resonance ，NMR）
核磁共振波谱实际上也是一种吸收光谱。
在强磁场的激励下，一些具有磁性的原子核可 以裂分为两个或两个以上的核磁能级。如将射频 区域的电磁辐射与其发生相互作用，就会产生对 射频能的吸收，同时实现核磁能级之间的跃迁， 称为发生了核磁共振。
某些高能量的化学反应释放出的化学能可 以激发产物分子或体系共存的其它分子发光， 这种发光叫化学发光。
-
8
4、其 它 分 子 光 谱
-
9
（1）拉曼光谱 （Roman Spectroscopy）
光通过物质时，有少部分在侧向散射开来，这种
现象叫做光的散射。这可看作是光子与物质分子碰 撞的结果。大部分散射光的频率和入射光相同，即 碰撞过程中光子与物质分子并不交换能量，这种散 射称为弹性散射。但也有小部分散射光其频率与入 射光不同，这种散射称为非弹性散射，是入射光子 与物质分子碰撞时产生能量交换，光子把一部分能 量给予分子或从分子获得一部分能量的结果。这种 分子与光子交换的能量也是量子化的，即分子所得 失的能量必需与分子中某两个能级之差相等。由此 形成的光谱叫拉曼光谱，观察到的散射光的频率变 化 ，v相应于分子振动转动能级的改变。
-
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（2）光声光谱（Photoacoustic Spectroscopy，PAS）
当物质吸收光受到激发后，返回初始态可通过辐 射跃迁或无辐射跃迁。前一过程产生荧光或磷光，后 一过程则产生热。
假如吸收光的强度呈周期性变化，密闭容器内热 的生成呈周期性变化，容器内压力涨落也呈周期性， 由于调制光的频率一般位于声频范围内，所以这种压 力涨落就成为声波，从而被声敏元件所感知。
《分子发光光谱》PPT课件
共振荧光(Resonance)：
λex = λem
2020/12/31
h
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电子重态示意图
基态单重态
激发单重态
激发三重态
2020/12/31
h
8
• 分子中电子的运动状态除了电子所处的能级外， 还包含有电子的多重态，用M=2S+1表示，S 为各电子自旋量子数的代数和，其数值为0或1
• 根据Pauli不相容原理，分子中同一轨道所占 据的两个电子必须具有相反的自旋方向，即自 旋配对Βιβλιοθήκη 2020/12/31h
6
（一）荧光磷光的产生
分子发光的类型
按激发的模式分类： 分子发光
按分子激发态的类型分类：
按光子能量分类：
分子发光
光致发光 化学发光/生物发光 热致发光 场致发光 摩擦发光
荧光 瞬时荧光 迟滞荧光
磷光
斯托克斯荧光(Stokes)：
λex < λem
荧光 反斯托克斯荧光 (Antistokes)：λex > λem
• 辐射跃迁主要涉及到荧光、延迟荧光或磷光的 发射
• 无辐射跃迁是指以热的形式释放多余的能量， 包括振动弛豫、内(部)转移、系间跨(窜)越及 外(部)转移等过程
2020/12/31
h
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荧光和磷光的产生过程中能量 传递方式及作用
• 振动弛豫 • 内转移 • 荧光发射 • 系间窜跃 • 磷光发射 • 外转移 • 延迟荧光
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h
3
• 直到1852年，对荧光分析法具有开拓性工作的 Stokes在考察奎宁和绿色素的荧光时，用分光 计观察到其荧光的波长比入射光的波长稍为长 些，而不是由光的漫反射引起的，从而导入荧 光是光发射的概念，他还由发荧光的矿石“萤 石”推演而提出了“荧光”这一术语，他还研 究了荧光强度与荧光物质浓度之间的关系，并 描述了在高浓度或某些外来物质存在时的荧光 猝灭现象
分子光谱
3. 双原子分子的振动光谱
模型：简谐振子
(r )
势能
V 1 2 K ( r re )
2
1 2
Kq
2
re：平衡距离 q ：分子核间距与平衡核间距之差 K：力常数，表示化学鍵的强弱。
2
S方程
[
d
2 2
2 dq
1 2
Kq ] E v
2
可解：
E v (v 1 2 )h
0 ,1, 2 振动量子数
：谐振子的经典振动频率,
＝
1 2
K
振动量子化
红外吸收谱
选律: 极性分子
HCl
v 1
简谐振子模型仅适用于双原子分子
非谐振子模型
势能曲线
1 2
K ( r re ) Morse 函数
2
V De {1 e
E v (v 1 2
[ ( r re )]
1
r 2
ij
1
ij
电子动能
吸引
排斥
电子运动的 Schrö dinger方程
ˆ H i i E i i
Ei
i
单电子波函数 单电子能量
2。 双原子分子的转动光谱
模型：刚性转子，（分子转动时核间距不变）
ˆ 1 M ˆ H 2I
2
I
转动惯量， I = µ r2
M2 角功量平方算符
方程： 1
§3.5 分子光谱
把被分子吸收的光或由分子发射,散射出来的光
进行分光所得到的光谱
分子的运动与能量及光谱对应关系
分子 分子的运动： 分子内部运动 平动(10－18ev)，转动 原子核运动 ： 振动
分子光谱分析
3.判断异构体 ⑴结构异构体：多利用双键位置不同推断，例：
λmax 208nm ε 5000～15000 同环双烯
295.5nm 12000～28000 异环双烯
⑵顺反异构体： 反式λmax和ε >顺式λmax和ε 例：
H
C H
λmax ε
C
C C H
H 顺式 280nm 10500
反式 295.5nm 29000
二、分子光谱产生原因： 分子能级跃迁
三、分子光谱分析： 利用分子的电子、振动、转动能级跃迁所产生的分子光谱对物质进行定 性、定量和结构分析的方法。 1.一般过程： 光源
单色分光
样 品 池
检测器
信号显示记录
2.分类：分为三类 ⑴吸收光谱：红外、紫外-可见吸收光谱分析 ⑵发射光谱：分子荧光光谱分析 ⑶散射光谱：拉曼光谱分析
例：测定m、n两物质的UV谱，得： 溶液 浓度(mol/L) A(450nm) m 5×10-4 0.8 n 2×10-4 0.6 m、n混合 未知 1.0 求：混合液中m、n的浓度Cm、Cn (吸收池厚1cm) 解： A450=ε450mCm L+ε450nCnL ⑴ A700=ε700mCm L+ε700nCnL ⑵ 又：A450m =ε450mCm0 L= 5×10-4 ε450m=0.8 A450n =ε450nCn0 L= 2×10-4 ε450n=0.6 A700m =ε700mCm0 L= 5×10-4 ε700m=0.3 A700n =ε700nCn0 L= 2×10-4 ε700n=0.3 将求得的4个ε和L=1cm代入式⑴、⑵得： A450=1600Cm+3000Cn=1.0 A700= 600Cm+1500Cn=0.4 解之可得：Cm和Cn (mol/L)
大学化学《分子光谱法》课件
仪 器 光 路 图
仪器框图
该型仪器可进 行荧光、磷光 和发光分析；
8.2.2.2 磷光分析仪器
荧光计上配上磷光测量附件即可对磷光进行测量。在有 荧光发射的同时测量磷光。
测量方法： （1）通常借助于荧光和磷 光寿命的差别，采用磷光 镜的装置将荧光隔开。 （2）采用脉冲光源和可控 检测及时间分辨技术。
通常荧光发射光谱与它的吸收光谱（与激发光谱形状一
样）成镜像对称关系。
镜像规则的解释
基态上的各振动能级分布 与第一激发态上的各振动能级 分布类似；
基态上的 零振动能级与 第一激发态的 二振动能级之 间的跃迁几率 最大，相反跃 迁也然。
荧光激发光谱
荧光发射光谱
200 250 300 350 400 450 500 nm
固定激发光波长(选 最大激发波长), 化合物 发射的荧光(或磷光强度) 与发射光波长关系曲线( 图中曲线II或III)。
荧光发射光谱 荧光激发光谱
磷光光谱
200 260 320 380 440 500 560 620 室温下菲的乙醇溶液荧（磷）光光谱
3.激发光谱与发射光谱的关系
a.Stokes位移
激发单重态的最低振动能级。 外转换：激发分子与溶剂或其他分子之间产生相互作用而转
移能量的非辐射跃迁； 外转换使荧光或磷光减弱或“猝灭”。
系间跨越：不同多重态,有重叠的转动能级间的非辐射跃迁。 改变电子自旋，禁阻跃迁，通过自旋—轨道耦合进行。
辐射能量传递过程
荧光发射：电子由第一激发单重态的最低振动能级→基态（
E=170～300 kJ/mol；位于可见光区； （3）发光持续时间较长，反应持续进行；
8.2.1.5 激发光谱和发射光谱
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电子自旋未配对 S=1 2S+1=3
2S+1
单线态 三线态
*
*
*
*
n
n
n
n
基态
受激单线态
三重态
单线态 单线态 三线态 单线态
荧光 磷光
从受激三线态向单线态的跃迁是禁戒的， 在没有其它竞争过程时，此种跃迁总要发生， 只是速度较慢。受激三线态的寿命比单线态长 得多，因此受激三重态与溶剂分子碰撞而转移， 损耗激发能量的机会就很多，这是在室温下不 能观察到磷光的原因。
形成红外光谱（IR Infrared）。
0.05 — 1
m
1 — 25
分子的电子能级之间的跃迁形成紫外可见吸收光谱
（UV-Visible）。E
eV
1 — 20
nm
A b2c00 —A750
具有加和性
3、发光光谱
分子吸收了外来的电磁辐射以后，处于不稳定的 激发状态，随即又以光发射的形式把能量放出来， 这种现象称为“光致发光” (Photoluminescence) 。
（2）光声光谱（Photoacoustic Spectroscopy，PAS）
当物质吸收光受到激发后，返回初始态可通过辐 射跃迁或无辐射跃迁。前一过程产生荧光或磷光，后 一过程则产生热。
假如吸收光的强度呈周期性变化，密闭容器内热 的生成呈周期性变化，容器内压力涨落也呈周期性， 由于调制光的频率一般位于声频范围内，所以这种压 力涨落就成为声波，从而被声敏元件所感知。
谢谢你的到来
学习并没有结束，希望大家继续努力
Learning Is Not Over. I Hope You Will Continue To Work Hard
演讲人：XXXXXX 时 间：XX年XX月XX日
仪器分析 分子光谱分析
主 讲： 教授
第一章 分子光谱概论
1、分子的能级与分子光谱的形成
分子内部运动可分为三种，即转动、振动和 电子运动。对应的能量为Er 、Ev、 Ee ，对应的 能态组成了分子能级的精细结构。
分子的各能级之间跃迁时吸收或发射光子形 成了分子光谱。
Hale Waihona Puke 分子光谱吸收光谱 发光光谱
Er
某些高能量的化学反应释放出的化学能可 以激发产物分子或体系共存的其它分子发光， 这种发光叫化学发光。
4、其 它 分 子 光 谱
（1）拉曼光谱
（Roman Spectroscopy）
光通过物质时，有少部分在侧向散射开来，这种 现象叫做光的散射。这可看作是光子与物质分子碰 撞的结果。大部分散射光的频率和入射光相同，即 碰撞过程中光子与物质分子并不交换能量，这种散 射称为弹性散射。但也有小部分散射光其频率与入 射光不同，这种散射称为非弹性散射，是入射光子 与物质分子碰撞时产生能量交换，光子把一部分能 量给予分子或从分子获得一部分能量的结果。这种 分子与光子交换的能量也是量子化的，即分子所得 失的能量必需与分子中某两个能级之差相等。由此 形成的光谱叫拉曼光谱，观察到的散射光的频率变 化 ，相应于分子振动转动能级的改变。
（3）核磁共振波谱法
（Nuclear Magnetic Resonance ，NMR）
核磁共振波谱实际上也是一种吸收光谱。
在强磁场的激励下，一些具有磁性的原子核可 以裂分为两个或两个以上的核磁能级。如将射频 区域的电磁辐射与其发生相互作用，就会产生对 射频能的吸收，同时实现核磁能级之间的跃迁， 称为发生了核磁共振。
S2
Ev
Ee *
IC—内转移 IC IX—系内交联
S1*
IX
T
F
P
S0
Ee0 10-15 s
10-9 – 10-7 s
10-3 – 10 s
分子能级的结构和能级间的转化、跃迁示意图
2、吸收光谱
分子从外界吸收光能，从基态跃迁到激发态把被吸 收的辐射强度按波长顺序记录下来，便得到吸收光谱。
分子的振动转动能级间的跃迁需吸收红外光区的能量，
在次级光的发射过程中，当光源停止照射以后约 10-5s 时间，发光也即消失，这种发光叫荧光 (Fluorescence)。
当辐射光源虽已停止照射，发光分子仍能保持103— 10 s 此种发光成为磷光(Phosphorescence)。
发光产生的机理：
分子的多重性（光谱的多重性）
电子自旋配对
S=0 2S+1=1
将磁性核对射频能吸收产生的共振信号与射频 频率对应记录下来，就得到核磁共振波谱。
写在最后
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