第 21 单元
光谱分析
分析化学家用光来称量看不见的东西。这一单元从比尔–朗伯定律出发，走进紫外–可见分光光度计，看火焰与等离子体中的原子怎样发射和吸收锐利的谱线，用红外光谱“听”分子振动，最后用质谱把分子按质量分开——每一条谱线、每一个峰都由模型计算，并与文献和实测数据对照。
- 1 光与吸光度：比尔–朗伯定律 浓度加倍，透过的光并不减半。透射比按指数下降，吸光度才与浓度成正比——还要当心杂散光、宽狭缝和化学平衡让直线弯曲。 25 分钟
- 2 分光光度计 光源、单色器、比色皿、检测器：一台虚拟仪器扫描 KMnO₄、铜氨、重铬酸钾的光谱。学会调零、选择分析波长，并同时测定钢中的锰和铬。 30 分钟
- 3 荧光：分子怎样把光还回来 汤力水在紫外灯下发蓝光。雅布隆斯基图告诉你一个被吸收的光子有几条去路；一台虚拟的时间分辨荧光仪测出奎宁的寿命，并用施特恩–福尔默方程看氯离子怎样让它熄灭。 30 分钟
- 4 原子光谱：发射与吸收 火焰里只有万分之二的钠原子在发光。玻尔兹曼分布、几 pm 宽的谱线和空心阴极灯，解释了火焰光度法、原子吸收与 ICP 各自的用武之地。 30 分钟
- 5 红外光谱：分子的振动 化学键是弹簧，红外光谱记录它们的振动。为什么 CO₂ 吸收红外而 N₂ 不吸收？对称伸缩为什么看不见？特征频率又怎样告诉你分子里有什么基团。 30 分钟
- 6 转动与振动：气体的红外谱带 气态 HCl 的红外吸收不是一个峰，而是一排梳齿般的细线，中间空着一道缝。转动能级、选择定则和玻尔兹曼分布解释了它的形状；用组合差分析一组真实谱线，就能把键长量到千分之一埃。 40 分钟
- 7 用群论数振动：红外与拉曼 3N − 6 个振动里，哪些吸收红外、哪些出现在拉曼谱里？把对称操作变成特征标、用约化公式分解，不解任何运动方程就能预言谱线的数目，还能用它区分顺反异构体。 40 分钟
- 8 核磁共振：倾听氢原子核 把样品放进强磁场，氢原子核就像小磁针一样吸收特定频率的射频波。化学位移说出质子的环境，积分说出个数，裂分说出邻居——三条线索足以认出一个分子。 35 分钟
- 9 质谱：同位素峰簇与碎片 把分子电离、按质荷比分开：氯的 3 : 1、溴的 1 : 1 峰簇由同位素卷积算出，基峰往往是碎片，高分辨率还能区分 CO⁺ 与 N₂⁺。 25 分钟