红外光谱

红外光谱是光谱学的一个分支，涉及电磁波谱的红外区域。它包括一系列技术，其中最著名的是吸收光谱。该光谱用于识别所研究化合物中的化学元素。它们主要用于天文学，以识别在宇宙某些区域发现的物质元素，并在化学分析中具有其他用途。通过红外光谱，可以识别亚甲基并区分烯烃和芳香族有机物质。可以找到一个红外光谱相关表，该表显示了几种可以发射和吸收红外辐射的材料的特性，例如人类指纹。

红外光谱学研究红外辐射导致的物质相互作用。波长在可见光边界之间的电磁波用于从800nm到约1毫米的最短微波的波长范围。

为了使分子在红外光谱学中有效，这意味着它在这个波长区域具有光谱，分子必须具有偶极矩。 当红外辐射照射在分子上时，红外电场与偶极矩产生的电场之间发生干涉。如果红外光束的电场频率与分子中的电场频率相对应，则分子会吸收该射线。

然后发生分子对能量的吸收，将其从较低的振动平面移动到较高的振动水平。当能量损失并且粒子恢复到其“地面”振动水平（未激发）时，会发出红外光，该光可以被传感器检测器记录下来。该数据记录在设备上，该设备将其绘制在表示红外光谱图像的方格纸上。

在红外光谱范围内工作的化学家已经同意在他们的工作中使用一个装置。他们不使用一厘米或一埃单位来表示光束的波长，而是使用波数，即 1 厘米的波数。例如，甲基的频率为1260/cm、1380/cm、2870/cm，芳香族物质的频率为700/cm、750/cm、860/cm、900/cm等。

红外光谱作为一种简单、可靠和有效的测量和质量控制手段，在研究和工业中被广泛使用。它们特别用于民事和犯罪案件的法医分析，例如，它们可以确定聚合物的类型。它可能被认为是应用光谱学中最常用的方法。光谱学工具现在体积小，便于携带，可用于现场试验。随着计算机技术和数据处理的不断进步，可以准确测量溶液中的样品（但它具有很高的辐射吸收率，如果不进行计算机处理，光谱就难以辨认）。一些设备通过将其与存储在计算机内存中的数千个参考光谱进行比较，自动为我们提供测量的材料类型。

聚合物工业中的聚合程度可以通过测量给定频率下某些键的性质或数量随时间的变化来测量。 现代研究工具可以以每秒 32 次的频率测量我们感兴趣的样品的红外辐射。这可以在测量过程中使用其他技术同时完成，这使得监测化学反应和过程更快、更准确。

红外光谱在有机化学和无机化学中的应用都非常成功。它也已成功用于半导体微电子学：例如，红外光谱可以应用于半导体，如硅、砷化镓（III）、氮化镓（III）、硒化锌、非晶硅、氮化硅等。

地球大气层，尤其是空气中的水蒸气，吸收波长超过2微米的红外辐射非常强烈，以至于在这些波段的测量不太清楚。这就是为什么地面望远镜被设计为测量短于2μm的红外波段。理想的解决方案是将望远镜作为卫星发送到上层没有大气层的太空中，并且可以在其所有范围内记录红外辐射。 恒星和星系也会发出红外辐射。 电磁辐射渗透宇宙尘埃时的透射率根据射线的波长而变化很大。与可见光的透射率相比，2 μm 波长对近红外辐射（光谱中接近红光）的透射率降低到约 1/10。尘埃云后面的物体变得可见并可以成像，例如对新兴恒星进行成像，对星系中心进行成像以及观察发射红外辐射的遥远星系内脏。

2011年10月，科学家宣布，宇宙尘埃中还含有有机化合物，有些是字母状的，有些是芳香族的，大小约为1.0微米，它们可能是从恒星中自然产生的。 2014年2月，美国宇航局宣布建立一个基于红外光谱的大型数据库，以寻找宇宙中的芳烃（PAHs）。据美国宇航局专家称，宇宙中20%的碳可能与多环芳烃共轭，这可能是生命的第一个组成部分。芳烃似乎是在大爆炸后的一段时间内形成的，并分布在宇宙中，它们也在第一阶段被发现形成新的恒星和系外行星。