高考申論題
107年
[氣象] 大氣物理學(包括大氣輻射與雲物理)
第 五 題
二氧化碳在紅外線波譜範圍有 4.3 μm 與 15 μm 兩個主要的吸收帶，試從二氧化碳分子結構、能階與基本輻射吸收與放射原理，討論上述兩個主要二氧化碳吸收帶分別是透過什麼方式所產生的？（12 分）
📝 此題為申論題
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作答本題需結合量子力學與分子光譜學概念。首先點出二氧化碳為線型對稱分子，並說明紅外線吸收的先決條件（振動過程中必須產生電偶極矩的改變）。接著，利用 E=hc/λ 的能量關係，將高能短波（4.3 μm）對應至非對稱伸展模，低能長波（15 μm）對應至彎曲模，並簡述其對地球輻射收支的物理意義。
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【破題】二氧化碳（CO2）為線型三原子分子，其在紅外線波段的吸收帶，主要來自於分子內部「振動-旋轉（Vibrational-Rotational）」量子化能階的躍遷。根據量子力學選律，分子吸收紅外線輻射的先決條件為其振動模式必須引發「電偶極矩（Electric Dipole Moment）」的改變。 【論述】 一、基本輻射原理與分子結構特性
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二氧化碳紅外吸收原理
💡 CO2 透過振動模式改變電偶極矩，吸收特定能階之紅外輻射能量。
| 比較維度 | 4.3 μm 吸收帶 | VS | 15 μm 吸收帶 |
|---|---|---|---|
| 振動模式 | 非對稱伸展模 | — | 彎曲模 |
| 物理運動 | 原子沿軸向反向移動 | — | 鍵角週期性偏轉 |
| 能階差 (ΔE) | 較大 (所需能量高) | — | 較小 (所需能量低) |
| 溫室效應貢獻 | 較小 | — | 極大 (主導長波攔截) |
💬兩者皆具紅外活性，但能量階差決定了其吸收特定波長的物理特性。
