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調查局三等申論題 107年 [化學鑑識組] 儀器分析

第 一 題

📖 題組:
下列不同的光譜是由何種量子躍遷(原子或分子內何種運動方式改變)所造成的?其波長範圍大約在那裡?(每小題 5 分,共 20 分)
📝 此題為申論題,共 4 小題

小題 (一)

X-ray 吸收光譜

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看到「X-ray 吸收光譜」,應直覺聯想電磁波譜中高能量波段對應的微觀作用。X 射線能量極高,足以突破價電子層,直接將原子的「內層電子(Core electrons)」激發或游離,並藉此回想其波長範圍約落在 0.01~10 nm(0.1~100 Å)之間。

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  1. 量子躍遷(運動方式改變): X-ray 吸收光譜是由原子中「內層電子(Core electrons,如 K 或 L 殼層電子)的躍遷」所造成。當高能的 X 射線被原子吸收時,會將其內層電子激發至未占據的高能階軌域,甚至直接使其游離而脫離原子。
  2. 波長範圍:

小題 (二)

紫外線-可見光譜

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看到「紫外線-可見光譜(UV-Vis)」,應立即聯想其對應的電磁波能量大小,進而推知此能量足以引發原子或分子內「外層價電子」的能階躍遷。接著,回憶儀器分析中常見的 UV-Vis 波長定義範圍(200-800 nm)即可精準作答。

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【破題】紫外線-可見光譜(UV-Vis spectroscopy)主要源自於物質吸收特定能量的電磁波後,所引發的電子能階改變。 【論述】 一、量子躍遷機制(運動方式改變):

小題 (三)

紅外線光譜

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看到這題,首先聯想電磁波頻譜能量與物質交互作用的對應關係。紅外線能量較低,對應分子內化學鍵的振動能階差;波長答題時除了寫出廣義範圍,務必特別點出分析化學最常用的「中紅外區」,並同時寫出波長(μm)與波數(cm⁻¹)以符合專業標準。

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  1. 量子躍遷類型:分子振動能階(Vibrational energy levels)的改變。 當特定波長的紅外光照射分子時,若其能量恰好等於分子內化學鍵振動能階的能量差,且該振動模式伴隨分子偶極矩(Dipole moment)的淨改變,分子即會吸收紅外光而發生振動能階的躍遷(常伴隨轉動能階的改變)。
  2. 波長範圍:

小題 (四)

NMR 光譜

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看到 NMR 光譜,需立刻聯想其全名「核磁共振」,關鍵字為「原子核」與「自旋」;由於改變核自旋能階所需的能量極低,由此可推知其吸收的電磁波必屬於電磁波譜中能量最低的無線電波段。

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【解答】 1. 量子躍遷(運動方式改變): NMR(核磁共振)光譜是由「原子核自旋能階(Nuclear spin energy levels)的躍遷」所造成。當具有自旋量子數(I ≠ 0)的原子核(如 ¹H, ¹³C)處於外加強磁場中時,會產生能階分裂(Zeeman effect);吸收特定頻率的能量後,原子核的自旋磁矩方向會發生反轉,由低能態(通常與外加磁場同向)躍遷至高能態(與外加磁場反向)。

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