FT-IRのお仕事

Fourier Transform Infrared Spectroscopy

波長と波数の換算方法

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波長と波数の換算方法

電磁波(光)って何だ?

電気を帯びた粒子が動くと、電磁波(でんじは、electromagnetic wave)という波が発生します。

電磁波は、時間とともに変動する電場が磁場を生み、この磁場の変化が電場を生み出していきます。

そうして電場と磁場がお互いを生み出しながら空間内を伝わっていくのです。
こうした電場と磁場の波うつ振動のことを「電磁波」と呼んでいます。

電磁波の種類

電磁波にはその波長領域によって様々な種類があります。

言い換えれば波長によって様々な電磁波が特徴付けられているともいえます。
それらは波長領域が異なりますが、全て電磁波という大きなくくりの中の仲間です。

電波

電磁波のうち最も波長が長い部類なのが「電波(でんぱ)」です。
電波の波長(1mm以上)は電磁波の中で最も長く、現代社会では携帯電話、テレビ、ラジオ、無線などの通信に利用されています。

電波の他にも電磁波には様々な種類があります。

赤外線

物を暖めることができる。
波長750nm~100万nm(=1mm)

可視光線

目に見える。
波長400nm~750nm

紫外線

日焼けの原因になる。
波長10nm~400nm

X線

レントゲン写真撮影に利用される。
波長0.01nm~10nm

ガンマ線

放射性物質から放射される。波長約0.01nm未満


赤外線(赤外光)って何だ?

赤外線(赤外光)は電磁波(光)の一種です。
日常生活で意識することはあまり無いかもしれませんが、光はエネルギーを持っています。
その光エネルギーを数式で表すと以下のようになります。

光エネルギー〔J〕
= プランク定数〔J・S〕×振動数〔S-1
= プランク定数〔J・S〕×光速〔m・s-1〕÷波長〔m〕

光はその波長領域ごとに様々な名前で呼ばれています。

紫外光

分子中の特にπ電子を励起するだけのエネルギーをもつ光。紫外線。

可視光

分子中の特にπ電子を励起するだけのエネルギーをもつ光。可視光線。

赤外光

分子中の一部分を振動させるエネルギーをもつ光。赤外線。


赤外線(赤外光)

赤外線(赤外光)は波長領域750nm~100万nm(=1000 μm=1mm)の電磁波です。
赤外線は波長によって、さらに近赤外線、中赤外線、遠赤外線に分類されます。

近赤外線

近赤外線は波長領域750nm~2500nmの電磁波です。

用途:リモコン、赤外線カメラなど

中赤外線

中赤外線は波長領域2500nm~4000 nmの電磁波です。

用途:赤外分光法(2500nm(2.5μm)~25000 nm(25μm))

通常、赤外分光法では中赤外領域と遠赤外領域にまたがる波長2500nm~25000nm(波数領域4000cm-1~400cm-1)の光を使って分光分析を行います。

人の目には見えないこの領域の電磁波(赤外線)を物質に照射すると、照射した赤外線と同じ振動数〔S-1〕で振動している物質中の分子の官能基は赤外線を吸収し、吸収した分の赤外線のエネルギーによって分子の振動はより激しくなります。

一方で同じ振動数をもつ官能基がない場合、赤外線は吸収されずにそのまま分子を透過します。

このようにこの領域の赤外線が分子の基準振動と合致した振動数をもつため、この領域の赤外線が赤外分光法に用いられています。

遠赤外線

遠赤外線は、波長領域4000nm~100万nmの電磁波です。
熱線とも呼ばれています。
用途:暖房器具(コタツ)、オーブントースター、サーモグラフィーなど


波長(はちょう、Wavelength)とは

波長とは波の山から山までの長さのことです。

イメージしづらいかもしれませんが、電磁波(光)も波です。
(光は波であり、粒子でもあるという不思議な特性を持っています)

電磁波(光)には様々な種類がありますが、その電磁波の種類を決定付けるのが波長です。

波長領域が異なれば、電磁波の種類も異なることになります。
尚、波長の長い電磁波ほどその電磁波のエネルギーは低くなります。

光エネルギー〔J〕=プランク定数〔J・S〕×光速〔m・s-1〕÷波長〔m〕


波数(はすう、Wavenumber)とは

波数とは、波長の逆数のことです。

波数の単位は〔cm-1〕が使われています。
この単位は電磁波が1cm進む間に振幅する波の回数を表します。

波数〔cm-1〕 = 1 / 波長〔cm〕

波長はエネルギーと反比例します。

光エネルギー〔J〕 = プランク定数×光速 ÷ 波長

波長の逆数を取ることによって、波数はエネルギーと比例する量になります。
つまり、波数はエネルギーの一種と見ることができます。

分光分析において波数は赤外吸収スペクトル(IRスペクトル)やラマンスペクトルを扱う際に登場します。


一般に赤外吸収スペクトルの横軸単位には波数〔cm-1〕が用いられています。

赤外吸収スペクトルの横軸をエネルギー量として考えると、ある分子が赤外光を吸収した時の伸縮振動と変角振動の関係はエネルギーの比例関係で考えることができます。

たとえば伸縮振動に要するエネルギーは変角振動のおよそ2倍です。

そのため伸縮振動は変角振動のおよそ2倍の波数位置にピークが出現する、と考えることができます。
例を挙げると包装袋やプラスチック製品に用いられているポリエチレンの炭化水素基(-CH2-)の伸縮振動は2900cm-1付近に現れ、(-CH2-)の変角振動は1500cm-1付近に現れます。


波長と波数の換算方法

FT-IRの勉強を始めてみて、波長と波数の換算方法でつまづく人もいるのではないかと思います。

実際、グーグルの検索結果でも波長と波数の換算方法についての質問がいくつか掲載されています。

一般に赤外吸収スペクトルの横軸は波長ではなく波数で表します。
波数は1/波長に等しくcm-1の単位で表されます。

波数〔cm-1〕= 1 ÷ 波長〔cm〕

波数の単位〔cm-1〕は「波長1 cm あたりの赤外線の波の数」を意味します。

波数はあまりなじみがない単位ですが、cm=1000万nm ということを知っていれば、
以下の式から波長〔nm〕から波数〔cm-1〕に換算できます。

波数〔cm-1
= 1 ÷ 波長〔cm〕
= 1 ÷ 波長〔cm=1000万nm〕

波数〔cm-1〕 = 1000万 ÷ 波長〔nm〕

2500 〔nm〕 → 4000〔cm-1
25000 〔nm〕 → 400〔cm-1

なお、波長〔nm〕=1000万 ÷ 波数〔cm-1