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地特三等申論題 106年 [化學工程] 儀器分析

第 一 題

📝 此題為申論題，共 3 小題

小題 (一)

何謂拉曼效應?何謂拉曼位移?(5分)

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本題為經典的名詞解釋，配分5分，作答時應精簡扼要。看到此題應立刻聯想到光譜學中的「非彈性散射」現象，並分別針對「拉曼效應」的物理機制（頻率改變）以及「拉曼位移」的定義與其化學意義（與入射光無關、反映分子振動能階）進行作答。

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「拉曼效應」(Raman Effect) 指單色光照射到物質上時，光子與物質分子發生非彈性碰撞，導致散射光的頻率發生改變的現象。散射光中頻率低於入射光者稱為史托克線 (Stokes lines)，頻率高於入射光者稱為反史托克線 (Anti-Stokes lines)。 「拉曼位移」(Raman Shift) 指入射光的頻率（或波數）與拉曼散射光的頻率（或波數）之間的差值（Δν = ν₀ - νₛ）。特徵包含：(1) 其大小與入射光的頻率無關；(2) 僅取決於物質分子本身的振動與轉動能階結構。實務應用為利用特定物質固有的拉曼位移數值，作為分子結構分析與化學成分鑑定的指紋特徵。

小題 (二)

請說明為何 N2 及 Cl2 無紅外線吸收而有拉曼效應,請就此現象說明紅外線吸收光譜與拉曼光譜原理的主要差異。(5分)

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看到同核雙原子分子（如 N2、Cl2）在 IR 與 Raman 的訊號差異，應立刻聯想到兩者的「選律（Selection rules）」不同。解題時需分別點出 IR 吸收的條件（偶極矩改變）與拉曼效應的條件（極化率改變），並以此對比說明兩者的原理差異。

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【破題】 $N_2$ 與 $Cl_2$ 無紅外線吸收卻有拉曼效應，核心原因在於紅外線（IR）與拉曼（Raman）光譜的「選律（Selection rules）」截然不同。 【論述】

小題 (三)

請問CO2有無紅外線吸收光譜與拉曼光譜,請說明其原由。(5分)

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本題測驗紅外線（IR）與拉曼（Raman）光譜的「選擇律」及「相互排除原理」。看到題目應先聯想 CO2 的直線對稱結構，接著分別探討其不同的振動模式（對稱伸張、不對稱伸張、彎曲振動）是否會引起「偶極矩」或「極化率」的改變來作答。

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【破題】二氧化碳（CO2）同時具有紅外線（IR）吸收光譜與拉曼（Raman）光譜，但兩者呈現的吸收峰對應完全不同的振動模式。 【論述】 一、分子結構與基本原理

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