红外光谱(IR)和拉曼光谱(Raman)
红外线与拉曼光谱

波数, cm-1 = 104 /( , µm )
2
红外光谱与拉曼光谱的区别:信号产生的方式不同
红外光谱为吸收光谱,拉曼光谱为散射光谱(一般信号很弱) 二者在研究分子结构上具有互补性
3
红外光谱法的特点
紫外、可见吸收光谱常用于研究不饱和有机物,特别是具有 共轭体系的有机化合物
红外光谱法主要研究在振动中伴随有偶极矩变化的化合物(没 有偶极矩变化的振动在拉曼光谱中出现)
除单原子和同核分子如Ne、He、O2、H2等外,几乎所有的 有机化合物在红外光谱区均有吸收;
除光学异构体,某些高分子量的高聚物以及在分子量上只有 微小差异的化合物外,凡是具有结构不同的两个化合物,其红外 光谱一定不相同
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红外吸收峰的强度
e >100 L cm-1 mol-1 20 < e <100 10< e <20 1< e <10
非常强峰(vs) 强峰(s) 中强峰(m) 弱峰(w)
影响因素 振动能级的跃迁概率,跃迁时的偶极矩变化大小;而
偶极矩与分子结构的对称性有关
基频吸收峰:基态向第一激发态跃迁,概率大,峰较强 倍频吸收峰:基态向第二激发态跃迁,概率小,峰较弱
例如1: C-C、 CC、 CC三种碳碳键的质量相同, 键力常数的顺序是三键>双键>单键。因此在红外光谱中, CC的吸收峰出现在 2222 cm-1,而CC约在1667 cm-1 , C-C 在 1429 cm-1;
例如2: C-C、C-O、C-N键的力常数相近,但相对折合质量不 同: C-C < C-N < C-O,这三种键的基频振动峰分别出现在1430 cm-1 、1330 cm-1 、1280 cm-1附近
红外与拉曼光谱的比较

极化率是分子的平均偶极矩u与电场强度E的比 值。符号α ;u=αE 它是统计平均值
拉曼光谱和红外光谱的互相补充 1)同种分子的非极性键S-S,C=C,N=N,CC产生强拉曼谱 带, 随单键双键三键谱带强度增加。 2)红外光谱中,由C N,C=S,S-H伸缩振动产生的谱带一 般较弱或强度可变,而在拉曼光谱中则是强谱带。
40—4000cm-1
光谱产生的方式 吸收光谱
散射光谱
检测对象
化学分子的的偶极距
分子的电子云的极化。
测定要求 水溶液样品
谱图信息
能斯特灯、碳化硅棒等作光源; 激光作光源;样品不需前处理 样品需前处理
水的吸收强,严重影响测试结 吸收弱,可以应用于生物的活体测试 果,限制了应用领域
主要反映分子的官能团
主要反映分子的骨架,用于分析生物 大分子
拉曼光谱技术 的特点
一些缺点
信号强度弱 有荧光干扰 数据库仍然不全
THANKS
照射过程中,光子与分子之间没 有能量交换,光子只改变运动方 向,不改变频率
照射过程中,光子与分子之间 发生能量交换,光子不仅改变 运动方向,而且改变频率
小结:红外与拉曼原理的区别
红外光谱 吸收;分子在振动跃迁过程中有偶极矩的改变
偶极矩指正、负电荷中心间的距离d和电荷中心 所带电量q的乘积,表达式为μ=qd,方向规定为 从正电中心指向负电中心。
3)环状化合物的对称振动常常是最强的拉曼谱带。
5)C-C伸缩振动在拉曼光谱中是强谱带。
红外与拉曼谱图对比
红外:基团 拉曼:分子骨架的测定
甲基的特征吸收频率: 2960cm-1 2870cm-1 1460cm-1 1380cm-1
红外光谱和拉曼光谱的异同

红外光谱和拉曼光谱的异同红外光谱和拉曼光谱是研究分子结构及组态、物质成分鉴定和结构分析的有力工具,由于具有无损伤、灵敏度高和时间短等特点,在物理、化学、生物学、矿物学、考古学和工业产品质量控制等领域中得到了广泛的应用,在物质结构分析中,极性基团如C=O,N-H及S-H 具有强的红外延伸振动,而非极性基团如C=C,C-C及S-S有强的拉曼光谱带,因此,红外光谱和拉曼光谱常常在一起,共同用于完成一个物质分子结构的完整分析。
通常,红外光谱适用于分析干燥的非水样品,拉曼光谱适合于含水的生物系统分析。
总体来说:红外光谱与拉曼光谱同属于分子振动光谱,但红外光谱是吸收光谱,拉曼光谱是散射光谱,二者机制不同,但互为补充。
红外光谱和拉曼光谱的联系和区别具体如下:(1)红外光谱常用于研究极性基团的非对称振动;拉曼光谱常用于研究非极性基团与骨架的对称振动。
红外吸收弱或无吸收的官能团在拉曼散射谱中均有强峰;反之,拉曼散射峰弱则红外吸收强。
例如,许多情况下C =C伸缩振动的拉曼谱带比相应的红外谱带较为强烈,C= O的伸缩振动的红外谱带比相应的拉曼谱带更为显著。
(2)拉曼光谱一次可以同时覆盖40-4000cm-1波数的区间,可对有机物及无机物进行分析。
若让红外光谱覆盖相同的区间则必须改变光栅、光束分离器、滤波器和检测器,(3)拉曼光谱可测水溶液,而红外光谱不适用于水溶液的测定。
(4)红外光谱解析中的定性三要素(即吸收频率、强度和峰形)对拉曼光谱解析也适用。
但拉曼光谱中还有去偏度P,通过测定P,可以确定分子的对称性。
光源红外光谱光源一、一般是黑体或者是通电碳化硅棒,黑体通常情况下是最佳的光源,原因是处在相同的温度的时候,黑体的辐射功率密度比其他热辐射红外光源都要大得多。
白炽灯泡也能被称为红外光源,有些朋友会觉得不解,白炽灯不是可见光源吗?其实不然,白炽灯可以把它75%的电能都转化成红外辐射光,因此也可以把它叫做红外光源,但因为白炽灯辐射出的红外辐射都被它外面的玻璃壳吸收掉了,所以呈现出来的红外线光并不多,所以说它是一种接近红外光线的光源。
各种光谱分析解读

各种光谱分析解读光谱分析是一种科学技术,通过研究物质与光的相互作用,可以从中获取物质的结构、性质和组成信息。
光谱分析包括多种方法和技术,其中常用的有紫外可见光谱、红外光谱、核磁共振光谱、拉曼光谱和质谱等。
下面将对这些光谱分析方法做一些解读。
紫外可见光谱(UV-Vis)紫外可见光谱是通过检测物质吸收或散射紫外可见光而获得的。
这种方法对于研究有机物和无机物的电子转移、共振结构等有很大的应用价值。
通过紫外可见光谱可以了解物质的电子能级分布、化学键的性质和分子的色彩等。
红外光谱(IR)红外光谱是通过检测物质对红外辐射的吸收而获得的。
红外光谱可以分析物质的官能团、分子结构和立体构型。
不同官能团和化学键对红外光谱会有不同的吸收峰,通过对红外光谱的解析和比较,可以推断物质的组成和结构。
核磁共振光谱(NMR)核磁共振光谱是通过检测物质中核磁共振信号而获得的。
核磁共振光谱可以研究物质中的原子组成、化学环境和立体构型。
不同原子核有不同的共振频率,通过对核磁共振光谱的分析,可以确定物质中的原子种类和它们的相对数量。
拉曼光谱拉曼光谱是通过检测物质对激光散射光的拉曼效应而获得的。
拉曼光谱可以研究物质的分子振动模式和晶格振动模式等。
拉曼光谱的谱线对应于物质分子的振动能级差,通过对拉曼光谱的解析,可以了解物质的分子结构和化学键的性质。
质谱质谱是通过检测物质中离子的质量与通量的关系而获得的。
质谱可以研究物质中的原子组成、分子量和化学键的性质。
不同原子和分子具有不同的质荷比,通过对质谱的解析,可以确定物质的分子结构和化学键的类型。
红外光谱IR和拉曼光谱Raman课件

优缺点分析
IR光谱
优点是检测的分子类型广泛,可用于多种类型的化学分析;缺点是需要样品是固态或液态,且某些基团可能无法 检测。
Raman光谱
优点是无需样品制备,对气态、液态和固态样品都适用;缺点是检测灵敏度相对较低,可能需要更长的采集时间 和更强的光源。
选择与应用指南
选择
根据样品的类型和所需的化学信息,选择合适的分析方法。对于需要检测分子振动信息 的样品,IR光谱更为合适;而对于需要快速、非破坏性检测的样品,Raman光谱更为
领域的研究和应用。
04
CATALOGUE
红外光谱(IR)与拉曼光谱( Raman)比较相似性与差异性Fra bibliotek相似性
两种光谱技术都利用光的散射效应来 检测物质分子结构和振动模式。
差异性
IR光谱主要检测分子中的伸缩振动, 而Raman光谱则主要检测分子的弯曲 振动。此外,IR光谱通常需要样品是 固态或液态,而Raman光谱对气态和 液态样品也适用。
拉曼散射是由于物质的分子振动或转动引起的,散射光的频率与入射光的频率不同 ,产生拉曼位移。
拉曼散射的强度与入射光的波长、物质的浓度和温度等因素有关。
拉曼活性与光谱强度
拉曼活性是指物质在拉曼散射中的表 现程度,与物质的分子结构和对称性 有关。
在拉曼光谱实验中,可以通过控制入 射光的波长和强度,以及选择适当的 实验条件来提高拉曼光谱的强度和分 辨率。
红外光谱解析
特征峰解析
根据红外光谱的特征峰位置和强 度,推断出分子中存在的特定振
动模式。
官能团鉴定
通过比较已知的红外光谱数据,可 以鉴定分子中的官能团或化学键。
结构推断
结合其他谱图数据(如核磁共振、 质谱等),可以推断分子的可能结 构。
红外光谱

材料分析测试技术一、名词解析:1.红外光谱(Infrared Spectroscopy, IR)是利用试样吸收红外光的特征对物质进行结构鉴定的表征技术。
2.拉曼光谱(Raman Spectroscopy)就是利用光经过试样产生的拉曼散射特征对物质进行结构鉴定的表征技术。
3.Raman位移就是Stokes或Anti-Stokes线频率与入射光频率的差值。
4.核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance, NMR)是记录处于外磁场中磁核能级之间跃迁的一种技术。
5.化学位移:由于质子所处的化学环境不同,其周围的微磁场自然不同,因此,核磁共振发生时外加的磁场强度并不相同,而是相对有一定的位移,这种吸收峰位置的差距被称为化学位移。
6.凝胶渗透色谱(Gel Permeation Chromatography, GPC)是一种色谱技术,它用高度多孔性的、非离子型的凝胶小球将溶液中多分散的聚合物逐级分开,配合分子量检测器使用即可得到分子量分布,是目前测定分子量分布最广泛应用的方法。
7.X射线衍射如果试样具有周期性结构(结晶),则X射线被相干散射(相对于入射光,散射光没有波长和相关系的改变),该现象被称为X射线衍射8.漫射X射线衍射如果试样具有不同电子密度的非周期性结构,则X射线被不相干散射(相对于入射光,散射光有波长和相关系的改变),该现象被称为漫射X 射线衍射(简称散射)。
9.热分析(Thermal Analysis, TA)是指在程序控温下测量物质的物化性质与温度关系的一类技术10.热重分析(Thermalgravimetry or Thermalgravimetric analysis, TG or TGA)是在程序控温下测量试样质量对温度的变化。
11.热机械分析(Thermomechanical analysis, TMA)是在程序控温和加载静态载荷(压或拉)下测量样品尺寸对温度的变化。
分子拉曼和红外

分子拉曼和红外都是分子光谱技术,用于研究分子的振动和转动状态。
分子拉曼光谱是通过测量分子对激光的散射来获取分子的振动和转动信息。
当激光照射到分子上时,分子会吸收部分光能并发生振动和转动,这些振动和转动会导致分子的极化率发生变化,从而改变分子对激光的散射。
通过测量散射光的频率和强度,可以得到分子的振动和转动信息。
红外光谱是通过测量分子对红外光的吸收来获取分子的振动和转动信息。
当红外光照射到分子上时,分子会吸收部分光能并发生振动和转动,这些振动和转动会导致分子的偶极矩发生变化,从而改变分子对红外光的吸收。
通过测量吸收光的频率和强度,可以得到分子的振动和转动信息。
分子拉曼和红外技术都可以用于分子结构的鉴定、化学反应的研究、材料的表征等领域。
它们的主要区别在于拉曼光谱是通过测量散射光的频率和强度来获取分子的振动和转动信息,而红外光谱是通过测量吸收光的频率和强度来获取分子的振动和转动信息。
此外,拉曼光谱对非极性分子的检测更敏感,而红外光谱对极性分子的检测更敏感。
拉曼光谱分析

拉曼光谱的原理
拉曼效应:
n 当一束激发光的光子与作为散射中心的分子发生相互作 用时,大部分光子仅是改变了方向,发生散射,而光的 频率仍与激发光源一致,这种散射称为瑞利散射。
n 但也存在很微量的光子不仅改变了光的传播方向,而且 也改变了光波的频率,这种散射称为拉曼散射。其散射 光的强度约占总散射光强度的10-3。
n FT-Raman则由激光光源,样品室,干涉仪检测 器以及计算机控制和数据采集系统组成。
仪器结构图
拉曼光谱仪
关键部件
n 激发光源 在拉曼光谱中最经常使用的激光器是氩离子激光器。其 激发波长为514.5nm和488.0nm,单线输出功率可达2W。
n 激发光源的波长可以不同,但不会影响其拉曼散射的位移。 但对荧光以及某些激发线会产生不同的结果。
拉曼活性
拉曼光谱参量 1. 峰位: 是电子能级基态的振动态性质的一种反映。以入射光和散射
光波数差表示。峰位的移动与激发光的频率无关.
2.强度:与浓度成正比.
3.退偏比(depolarization ratio): r = I‖ / I提供分子对称性的信息,并有助于谱线的指认.
共振拉曼散射
Strength enhanced 102~3 more sensitive concentration < 0.1mM similar to UV
显微共聚焦拉曼光谱仪
n 纵向空间分辨率为2m n 横向空间分辨率为1m n 光斑尺寸连续可调(1-100 m )
样品: 聚丙烯(PP)基底上2µm的 聚乙烯(PE)薄膜
激光: HeNe激光器(波长633 nm)
放大倍数: x50物镜
光谱仪设置: 狭缝宽度10 µm
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3.3红外分光光度计
按分光器将红外分光光度计分为四代: 以人工晶体棱镜作为色散元件的第一代; 以光栅作为分光元件的第二代; 以干涉仪为分光器的傅里叶变换红外光度计是第3代;
用可调激光光源的第4代仪器。
3.3.1双光束红外分光光度计的工作原理:
3.3.2 红外分光光度计的主要部件:
(1)光源: 光源的作用是产生高强度、连续的红外光。 (a)硅碳棒。由硅碳砂加压成型并经锻烧做成。工作温 度1300~1500℃,工作寿命1000小时。硅碳棒不需要预热, 寿命也较长。价格便宜。
波长或波数可以按下式互换:
_
( cm-1)=1/λ(cm)=104/λ(μm)
在2.5μm处,对应的波数值为: _ = 104/2.5 (cm-1)=4000cm-1
一般扫描范围在4000~400cm-1。 波长在2.5~25μm,叫中红外区。 波长0·75~2·5μm叫近红外区。 波长在25~100μm叫远红外区。
到了六十年代,用光栅代替棱镜作分光器的第二代红 外光谱仪投入了使用。这种计算机化的光栅为分光部件的 第二代红外分光光度计仍在应用。
七十年代后期,干涉型傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR) 投入了使用,这就是第三代红外分光光度计。
近来,已采用可调激光器作为光源来代替单色器,研制 成功了激光红外分光光度计,即第四代红外分光光度计, 它具有更高的分辨率和更广的应用范围,但目前还未普及。
υ as
面内变 形振动
δ 面内
面外变 形振动 δ 面外
面内摇摆 ρ
剪式振动
δs
面外摇摆 ω 扭曲振动 τ
跃迁时能级变化的大小为:as > s > δ。
能级变化大的出峰在高频区,即波数值大;能级变化小 的出峰在低频区,即波数值小。
谱带的位置(波数)由能级变化的大小确定。 谱带的位置(波数)也就是振动时吸收红外线的波数。
(4)测量范围宽。可以研究10000~l0cm-1范围的红外光 谱。 (5)价格贵,操作较复杂,环境要求高。
3.3.4 气相色谱- 傅里叶变换红外分光光度计(GC-FTIR) 联用
可用于混合物的定性和结构分析。
3.3.5 红外显微镜
使用红外显微镜作分析有不少优点: (1)测量灵敏度高。一般检测限量为10-9g(ng)有时能达
对称性差的振动偶极矩变化大,吸收峰强。
(4)其他因素: (a)氢键的形成使有关的吸收峰变宽变强。
(b)与极性基团共轭使吸收峰增强。如C=C、C≡C等基团 的伸缩振动吸收很弱。但是,如果它们与C=O或C≡N共轭, 吸收强度会大大增强。
(c)费米共振:
红外吸收有基频和倍频,还有组合频。
组合频为基频及倍频的和或差。
(4)分析时间短。一般红外光谱做一个样可在10~30分钟 内完成。如果采用傅里叶变换红外光谱仪在一秒钟以内就 可完成扫描。为快速分析的动力学研究提供了十分有用的 工具。
(5)所需样品用量少,且可以回收。红外光谱分析一次 用样量约1~5mg,有时甚至可以只用几十微克。
3.1.3红外光谱谱图 邻二甲苯的红外光谱图
纵坐标是百分透过率T%。 百分透过率的定义是幅射光透过样品物质的百分率,即
T%= I/I0×100%, I是透过强度,Io为入射强度。 横坐标:上方的_ 横坐标是波长λ,单位μm;下方的横坐
标是波数(用 表示,波数大,频率也大),单位是
cm-1。
波数即波长的倒数,表示单位(cm)长度光中所含光波的 数目。
有红外吸收的称为红外活性。
振动是否有红外活性与分子的对称类型有关。 因为偶极矩是一个矢量,中心对称的振动偶极矩变化 为零。以中心对称的振动在红外光谱中不产生吸收,但在 拉曼光谱中是有活性的。
在光谱图上能量相同的峰因发生简并,使谱带重合。
由于仪器分辨率的限制,使能量接近的振动峰区分不开。 能量太小的振动可能仪器检测不出来.
N个原子组成的分子,每个原子在空间的位置要有 三个坐标,由N个原子组成的分子就需要3N个坐标, 也就是有3N个运动自由度。
分子振动自由度的数目等于3N-6个, 线性分子的振动自由度为3N-5个。
每一个振动都对应着一个能级的变化,
但只有那些可以产生瞬间偶极矩变化的振动才能产 生红外吸收,没有偶极矩变化而有分子极化率变化的振 动可以产生拉曼光谱。
3.1.2红外光谱法的特点
(1)红外光谱是依据样品 吸收谱带的位置、强度、形状、 个数,推测分子中某种官能团的存在与否,推测官能团的 邻近基团,确定化合物结构。
(2) 红外光谱不破坏样品,并且对任何样品的存在状态 都适用,如气体、液体、可研细的固体或薄膜似的固体都 可以分析。测定方便,制样简单。
(3)红外光谱特征性高。由于红外光谱信息多,可以对 不同结构的化合物给出特征性的谱图,从“指纹区”就可 以确定化合物的异同。所以人们也常把红外光谱叫“分子 指纹光谱”。
(c)色散元件。色散元件是变复式光为单色光的部件。 第一代红外分光光度计的色散元件是棱镜,棱镜是用透
红外光的 KBr、NaF、CaF2,和LiF等盐的单晶制成。 第二代红外光谱仪的色散元件是衍射光栅。 第三代红外分光光度计的色散元件是迈克逊干涉仪,不
用狭缝。
(3)检测器 检测器是测量红外光强度的大小并将其变为电讯号的
r/A0 双原子分子势能曲线
常温下分子处于最低振动能级,此时叫基态,V=O。 从基态V0跃迁到第一激发态V=1,V0V1产生的吸收带 较强,叫基频或基峰。 也有从基态跃迁到第二激发态甚至第三激发态,V0V2 或V0V3的跃迁产生的吸收带依次减弱,叫倍频吸收, 用21等表示。
3.2.2 分子振动与红外光谱
即υ1+υ2、2υ1+υ2、υ1-υ2等。
费米共振:当一个振动的倍频或组合频与某一个强的 基频有接近的频率时,这两个振动相互作用发生偶合,弱 的倍频或组合频被强化,振动偶合后出现两个谱带。
两谱带中均含有基频和倍频的成份,倍频和组合频明显 被加强,这种现象叫费米共振。
红外光谱的峰强可以用摩尔吸收系数表示:
故吸收峰强度为υOH>υC-H>υC-C。
(2)振动方式。相同基团的振动方式不同,分子的电 荷分布也不同,偶极矩变化也不同。
反对称伸缩振动比对称伸缩振动的吸收强度大;
伸缩振动的吸收强度比变形振动的吸收强度大。
(3)分子的对称性。 结构为中心对称的分子,若其振动也中心对称,则此振
动的偶极矩变化为零。如CO2的对称伸缩振动没有红外活 性。
= 1 Lg T 0
CL
T
(4)
式中:为摩尔吸收系数; C为样品浓度,mol/L; L为吸收池厚度,cm; T0为入射光强度;T为出射光强度。
当l00时,峰很强,用Vs表示。 在20~100,为强峰,用S表示。 在l0~20,为中强峰,用m表示。 在l~l0,为弱峰,用w表示。 另外,用b表示宽峰,用Sh表示大峰边的小肩峰。
第三章 红外光谱(IR)和拉曼光谱(Raman)
3.1引言 3.1.1红外光谱的发展
红外光谱(Infrared Spectroscopy,简称IR) 拉曼光谱(Raman)
分子光谱
两者得到的信息可以互补。
在十九世纪初就发现了红外线,到1892年有人利用岩盐棱 镜和测热幅射计(电阻温度计)测定了20多种有机化合物的 红外光谱。
12
解:
=1307 12 16 =1725 (cm-1)
12 16
当分子吸收红外光发生跃迁时要满足一定的选律,即振 动能级是量子化的,可能存在的能级要满足下式:
E=(V+1/2)h
式中h为普朗克常数,为振动频率,V为振动量子数(0、 1、2……),振动能级不止一种激发态。
势能
V=2 V=1 V=0
μ’ 为折合质量。 μ’=m1m2/(m1+m2) (m为原子质量)
原子质量用相对原子量代替:
m1=M1/N,
M1、M2为原子量,N为阿佛加德罗常数。
m2=M2/N 。
μ为折合原子量
μ=
M1 M2 M1 M2
将π、c和N的数值代入(2)式,并指定将键力常数(见p 61 表3-1)中 的105代入。
10 5 N ≈1307
2c
≈1307 (cm-1)
表3-1 化学键的力常数
键 分子 K(×105dyn/cm) H-F HF 9.7 H-Cl HCl 4.8 H-Br HBr 4.1 H-I HI 3.2 H-O H2O 7.8 H-O 游离 7.12 H-S H2S 4.3 H-N NH3 6.5 H-C CH3X 4.7-5.0
(2)扫描时间短,在几十分之一秒内可扫描一次。可用于 快速化学反应的追踪、研究瞬间的变化、解决气相色谱和 红外的联用问题。
(3)极高的灵敏度。可在短时间内进行多次扫描,使样品 信号累加、贮存。噪音可以平滑掉,提高了灵敏度。可以 用于痕量分析。样品量可以少到10-9~10-11g。可以与GC连 用,GC-FTIR。
分子的振动分为伸缩振动和变形振动两类。 伸缩振动是沿原子核之间的轴线作振动,键长有变化 而键角不变,用字母υ来表示。
伸缩振动分为不对称伸缩振动υas和对称伸缩振动υs。
变形振动是键长不变而键角改变的振动方式,用字母δ 表示。
亚甲基 的振动
伸缩 振动
υ
变形 振动
δ
对称伸 缩振动
υS
不对称 伸缩振动
(b)能斯特灯。由稀土金属氧化物加压成型后在高温下 烧结而成。要点亮这种灯要预热到700℃以上。能斯特灯 寿命长、稳定性好,但价格较贵,操作不如硅碳棒方便。
(2)分光系统 分光系统包括入射狭缝到出射狭缝这一部分。主要由
反射镜、狭缝和分光器组成。作用是将复式光分解成单 色光。分光系统也叫单色器。
(a)狭缝。 (b)反射镜。
3.2 红外光谱基本原理 3.2.1 化学键的振动与频率