為什麼不同物質的拉曼光譜是獨一無二的

如果你聽說過“光量子”，知道一份光對應一份能量（E=hν），而分子對光的（共振）吸收、發射需要匹配這份能量（ΔΕ=hν），後面的事情就好講了。 首先明確一點，不僅僅是拉曼。 不同分子的拉曼、紅外、紫外-可見、微波光譜，基本都可以說是獨一無二的。 這些不同種類的光譜只不過是激發形式不同，但背後反應的都是分子本身的性質，我們稱為“能級”。 “能級”的意思，就是分子內部有許許多多的能量狀態。 就好比一個人，可以躺、可以坐、可以站、可以跑； 它們各自對應的能量是不一樣的。 分子也一樣，可以轉、可以振動、可以“電子躍遷”——就是分子中的電子改變自己的形態。 它們也有不同的能量。 因為能量量子化，就變成一個個能級。 光譜，就是一條曲線，記錄了分子在什麼頻率上吸收多少光。 每個吸收光的頻率，對應了分子能級序列裡面，某兩個能級之間的能量差。 囙此，能級不同，光譜就不同。 那麼，為什麼每個分子的能級獨一無二呢？ 也好說。 分子的能級由分子自身的大小、質量、化學鍵的性質决定。 就好比，為什麼不同的樂器會發出不同的音色，可以讓你一耳就分辨出來？ 因為樂器的資料、大小、形狀、發聲管道各不相同。 哪怕相同的樂器，比如傳奇大師製作的每一把小提琴，都有各自不同的“風格”，為啥呢？ 因為沒有哪兩把琴的材質、形狀是一模一樣的，總有差別。 分子也是一樣的。 只要分子不同，能級就不同； 能級不同，光譜就不同了。 進階一點，轉動能級由分子的轉動慣量决定，振動能級有分子的振動模式--也就是分子的質量及化學鍵的强弱决定，電子能級當然由電子排布的結構决定。 微波測轉動，紅外測振動，紫外可見測電子。

分子能級示意圖和對應的光譜

雖然如此，但並不是說拿任何儀器去測分子的光譜，都能把不同分子區別出來。 儀器的頻譜分辯率和量測管道很重要。 就好比，一個外行和一個演奏家去聽不同小提琴的音色，當然是演奏家能分辨更微妙的差別。 一般需要採用頻譜分辯率很高的“高分辨光譜儀”，並且在分子為稀薄氣體的情况下，才能够獲得足够高頻譜分辯率的光譜。 這也是為什麼普通有機化學實驗室，紅外/拉曼光譜通常只作為分子判斷的輔助工具，做不到一錘定音——因為這種普通的光譜儀分辯率太低，測的也是液體/固體樣品，把很多微小的差別都抹平了，只能定性猜猜分子帶了幾個官能團。