1. 분광법과 질량분석의 차이
- 적외선(IR), 자외선(UV), 핵자기공명(NMR) 분광법은 질량분석과 달리 비파괴적 분석법이다.
- 이들 분광법은 이온화가 아니라 분자와 전자기 복사선의 상호작용을 이용한다.
2. 전자기 스펙트럼(Electromagnetic Spectrum)
- 전자기 복사는 파장과 주파수가 연속적으로 분포된 스펙트럼을 이룬다.
- 주요 영역
- 에너지는 주파수가 증가할수록 커지고, 파장이 짧아질수록 커진다.
3. 전자기 복사의 파동적·입자적 성질
- 전자기 복사는 이중 성질(dual behavior)을 가진다.
- 입자적 성질: 광자(photon)
- 파동적 성질: 에너지 파동
- 전자기파를 규정하는 세 가지 물리량
- 파장(λ): 연속된 파동 최대값 사이의 거리
- 주파수(ν): 단위 시간당 파동의 개수 (Hz, s⁻¹)
- 진폭(amplitude): 파동의 높이
- 복사선의 세기(intensity)는 진폭의 제곱에 비례한다.
4. 파장, 주파수, 빛의 속도 관계
- 진공에서 모든 전자기 복사는 동일한 속도로 이동한다.
- 빛의 속도 c = 2.99792458 × 10⁸ m/s (≈ 3.00 × 10⁸ m/s)
- 기본 관계식: wavelength * frequency = speed
- λν = c
- λ = c / ν
- ν = c / λ
5. 전자기 에너지의 양자화와 플랑크 식
- 전자기 에너지는 연속적으로 전달되지 않고 양자(quanta) 단위로 전달된다.
- 하나의 광자(1 quantum)의 에너지 ε = hν = hc / λ
- h: 플랑크 상수 (6.62 × 10⁻³⁴ J·s)
- 에너지는 주파수에 비례하고 파장에 반비례한다.
- 높은 주파수, 짧은 파장 → 높은 에너지
- 낮은 주파수, 긴 파장 → 낮은 에너지
6. 몰 단위 에너지 표현
- 아보가드로 수(N_A)를 곱하면 몰당 에너지로 변환된다.
- 몰 에너지 식
- E = N_Ahc / λ
- E (kJ/mol) = 1.20 × 10⁻⁴ / λ(m)
- E (kcal/mol) = 2.86 × 10⁻⁵ / λ(m)
7. 흡수 스펙트럼의 개념
- 분자는 특정 파장의 전자기 복사를 흡수하고, 나머지는 투과시킨다. 어떤 파장이 흡수되었는지를 측정한 것이 흡수 스펙트럼(absorption spectrum)이다.
- 적외선 흡수 스펙트럼
- x축: 파수(wavenumber, cm⁻¹)
- y축: 투과율(% transmittance)
- 아래로 향하는 피크 → 에너지 흡수 발생
- 에탄올의 IR 스펙트럼 예시: 각 피크는 특정 결합의 진동 에너지 흡수를 의미한다.
- 전자기 복사와 분자 에너지 변화
- 적외선(IR): 결합의 신축(stretching)과 굽힘(bending) 진동 증가
- 자외선/가시광선(UV/Vis): 전자의 궤도 전이(낮은 에너지 → 높은 에너지)
- 서로 다른 영역의 전자기 복사는 분자에 서로 다른 방식의 정보를 제공한다.
Problem 12-5. Which has higher energy, infrared radiation with λ = 1.0 × 10⁻⁶ m or an X ray with λ = 3.0 × 10⁻⁹ m? Radiation with ν = 4.0 × 10⁹ Hz or with λ = 9.0 × 10⁻⁶ m?
Answer.
λ = 3.0 × 10⁻⁹ m인 X선이 λ = 1.0 × 10⁻⁶ m인 적외선보다 에너지가 높다.
ν = 4.0 × 10⁹ Hz인 복사가 λ = 9.0 × 10⁻⁶ m인 복사보다 에너지가 높다.
Problem 12-6. It’s useful to develop a feeling for the amounts of energy that correspond to different parts of the electromagnetic spectrum. Calculate the energies in kJ/mol of each of the following kinds of radiation:
(a) A gamma ray with λ = 5.0 × 10⁻¹¹ m
(b) An X ray with λ = 3.0 × 10⁻⁹ m
(c) Ultraviolet light with ν = 6.0 × 10¹⁵ Hz
(d) Visible light with ν = 7.0 × 10¹⁴ Hz
(e) Infrared radiation with λ = 2.0 × 10⁻⁵ m
(f) Microwave radiation with ν = 1.0 × 10¹¹ Hz
Answer.
(a) 2.4 × 10⁶ kJ/mol
(b) 4.0 × 10⁴ kJ/mol
(c) 2.4 × 10³ kJ/mol
(d) 2.8 × 10² kJ/mol
(e) 6.0 kJ/mol
(f) 4.0 × 10⁻² kJ/mol