Електромагнітне випромінювання пов’язане з переходом атомної або молекулярної системи з одного стаціонарного стану в інший є монохроматичним . Його частота визначається співвідношенням:

,

h – стала Планка; Е_і і Е_j – енергії комбінуючих рівнів.

Це співвідношення дозволяє визначити першу важливішу характеристику квантового переходу – положення відповідної спектральної лінії або поділки в шкалі енергій переходів . У зв’язку з цим можна дати таке визначення спектроскопії: спектроскопія – це фізичний метод дослідження , який дозволяє одержати відомості про стаціонарні стани атомів і молекул на основі вивчення переходів між цими станами.

Так, в залежності від природи комбінуючих енергетичних рівнів при квантових переходах може змінюватись характер різних видів в молекулі: її обетання як цілого, взаємного розміщення атомів у молекулі (коливний рух) і розподіл електронної густини (рух електронів).

Спектри поглинання, випромінювання і розсіювання

При розгляді переходів між енергетичними рівнями атома або молекули ми нічого не говорили про фізичний зміст напрямку стрілок, що описують ці переходи. В той же час це питання має важливе значення.

Якщо в процесі квантового переходу енергія передається від поля електромагнітної радіації до системи, що вивчається, то енергія системи зростає, тобто відбувається поглинання енергії атомом або молекулою . Навпаки, якщо при переході проходить віддача кванта енергії системою електромагнітному полю, то проходить процес випромінювання енергії . Поглинання енергії на схемі позначається вертикальними стрілками, направленими вверх, а випромінювання – аналогічними стрілками, направленими вниз. Схема переходів показана на мал. .

Мал. . Схема переходів: а – поглинання енергії; б – випромінювання енергії.

Слід відмітити, що для спостереження процесів поглинання достатньо помістити досліджувану речовину в поле електромагнітної радіації відповідної частоти, тоді як для спостереження процесів випромінювання необхідно попередньо перевести частину молекул у збуджений стан (останнє може бути досягнуто як оптичним збудженням, так і іншими методами).

Крім поглинання і випромінювання до радіаційних переходів належать і переходи пов ’язані з комбінаційним розсіюванням . Суть цього явища полягає в тому, що будь-яка речовина має властивість частково копіювати радіаційне випромінювання з частотою n₀ , що падає на неї. Причому серед розсіяних квантів присутні кванти не тільки з частотою n₀ , але і інших частот n_с (стоксове) і n_ас (антистоксове).

Розсіювання, що не супроводжується зміною енергії кванта, називають пружним , або релеєвським . Процеси, що приводять до розсіювання квантів, енергія яких відрізняється від збуджуючого, називається непружним або комбінаційним розсіюванням . На схемі енергетичних рівнів всі вказані процеси, як правило, зображають нахиленими прямими стрілками (мал. ).

Вся сукупність переходів з нижніх рівнів на верхні (поглинання), із верхніх рівнів на нижні (випромінювання) приводить до появи відповідно спектрів поглинання і випромінювання. Аналогічним шляхом проходить, як показано, утворення спектрів релеєвського і комбінаційного розсіювання. Тому під спектром розуміють розподіл енергії , що поглинається , випромінюється або розсіюється системою в шкалі частот або довжин хвиль. Частоти n_с називаються стоксовим комбінаційним розсіюванням n_с < n₀ і n_ас – антистоксове (n_ас > n₀ ).

Розділи спектроскопії, спектроскопічні одиниці вимірювання. В залежності від віддалі між комбінуючими рівнями, що головним чином визначаються їх природою, спектральна лінія або смуга, що відповідає даному переходу, може попасти в принципі в будь-яку область шкали електромагнітних хвиль (мал. ).

Спектральні області

Радіочастотна

Оптична

Рентгенівська

γ-випромінювання

10³ 10¹² 10¹⁷ 10^{2 0} n, гц

Мал. . Шкала електромагнітних хвиль.

Оптичну область принято підрозділяти на три частини: інфрачервону , видиму і ультрафіолетову , а інфрачервону і ультрафіолетову, крім того, на ближню і дальню (мал. ).

Інфрачервона область Ультрафіолетова область

Дальня

Ближня

Видима

Ближня

Дальня