光譜
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光譜『spectrum』
光譜是復(fù)色光經(jīng)過色散系統(tǒng)（如棱鏡、光柵）分光后，被色散開的單色光按波長（或頻率）大小而依次排列的圖案，全稱為光學(xué)頻譜。光譜中最大的一部分可見光譜是電磁波譜中人眼可見的一部分，在這個波長范圍內(nèi)的電磁輻射被稱作可見光。光譜并沒有包含人類大腦視覺所能區(qū)別的所有顏色，譬如褐色和粉紅色。
光波是由原子內(nèi)部運動的電子產(chǎn)生的．各種物質(zhì)的原子內(nèi)部電子的運動情況不同，所以它們發(fā)射的光波也不同．研究不同物質(zhì)的發(fā)光和吸收光的情況，有重要的理論和實際意義，已成為一門專門的學(xué)科——光譜學(xué)．下面簡單介紹一些關(guān)于光譜的知識．
分光鏡觀察光譜要用分光鏡，這里我們先講一下分光鏡的構(gòu)造原理．圖6-18是分光鏡的構(gòu)造原理示意圖．它是由平行光管A、三棱鏡P和望遠鏡筒B組成的．平行光管A的前方有一個寬度可以調(diào)節(jié)的狹縫S，它位于透鏡L1的焦平面①處．從狹縫射入的光線經(jīng)透鏡L1折射后，變成平行光線射到三棱鏡P上．不同顏色的光經(jīng)過三棱鏡沿不同的折射方向射出，并在透鏡L2后方的焦平面MN上分別會聚成不同顏色的像（譜線）．通過望遠鏡筒B的目鏡L3，就看到了放大的光譜像．如果在MN那里放上照相底片，就可以攝下光譜的像．具有這種裝置的光譜儀器叫做攝譜儀．
種類
發(fā)射光譜物體發(fā)光直接產(chǎn)生的光譜叫做發(fā)射光譜．發(fā)射光譜有兩種類型：連續(xù)光譜和明線光譜．
連續(xù)分布的包含有從紅光到紫光各種色光的光譜叫做連續(xù)光譜（彩圖6）．熾熱的固體、液體和高壓氣體的發(fā)射光譜是連續(xù)光譜．例如電燈絲發(fā)出的光、熾熱的鋼水發(fā)出的光都形成連續(xù)光譜．
只含有一些不連續(xù)的亮線的光譜叫做明線光譜（彩圖7）．明線光譜中的亮線叫做譜線，各條譜線對應(yīng)于不同波長的光．稀薄氣體或金屬的蒸氣的發(fā)射光譜是明線光譜．明線光譜是由游離狀態(tài)的原子發(fā)射的，所以也叫原子光譜．觀察氣體的原子光譜，可以使用光譜管（圖6-19），它是一支中間比較細的封閉的玻璃管，里面裝有低壓氣體，管的兩端有兩個電極．把兩個電極接到高壓電源上，管里稀薄氣體發(fā)生輝光放電，產(chǎn)生一定顏色的光．
觀察固態(tài)或液態(tài)物質(zhì)的原子光譜，可以把它們放到煤氣燈的火焰或電弧中去燒，使它們氣化后發(fā)光，就可以從分光鏡中看到它們的明線光譜．
實驗證明，原子不同，發(fā)射的明線光譜也不同，每種元素的原子都有一定的明線光譜．彩圖7就是幾種元素的明線光譜．每種原子只能發(fā)出具有本身特征的某些波長的光，因此，明線光譜的譜線叫做原子的特征譜線．利用原子的特征譜線可以鑒別物質(zhì)和研究原子的結(jié)構(gòu)．
吸收光譜高溫物體發(fā)出的白光（其中包含連續(xù)分布的一切波長的光）通過物質(zhì)時，某些波長的光被物質(zhì)吸收后產(chǎn)生的光譜，叫做吸收光譜。例如，讓弧光燈發(fā)出的白光通過溫度較低的鈉氣（在酒精燈的燈心上放一些食鹽，食鹽受熱分解就會產(chǎn)生鈉氣），然后用分光鏡來觀察，就會看到在連續(xù)光譜的背景中有兩條挨得很近的暗線（見彩圖8．分光鏡的分辨本領(lǐng)不夠高時，只能看見一條暗線）．這就是鈉原子的吸收光譜．值得注意的是，各種原子的吸收光譜中的每一條暗線都跟該種原子的發(fā)射光譜中的一條明線相對應(yīng)．這表明，低溫氣體原子吸收的光，恰好就是這種原子在高溫時發(fā)出的光．因此，吸收光譜中的譜線（暗線），也是原子的特征譜線，只是通常在吸收光譜中看到的特征譜線比明線光譜中的少．
目錄 |
光譜分析
由于每種原子都有自己的特征譜線，因此可以根據(jù)光譜來鑒別物質(zhì)和確定它的化學(xué)組成．這種方法叫做光譜分析．做光譜分析時，可以利用發(fā)射光譜，也
可以利用吸收光譜．這種方法的優(yōu)點是非常靈敏而且迅速．某種元素在物質(zhì)中的含量達10^-10(10的負10次)克，就可以從光譜中發(fā)現(xiàn)它的特征譜線，因而能夠把它檢查出來．光譜分析在科學(xué)技術(shù)中有廣泛的應(yīng)用．例如，在檢查半導(dǎo)體材料硅和鍺是不是達到了高純度的要求時，就要用到光譜分析．在歷史上，光譜分析還幫助人們發(fā)現(xiàn)了許多新元素．例如，銣和銫就是從光譜中看到了以前所不知道的特征譜線而被發(fā)現(xiàn)的．光譜分析對于研究天體的化學(xué)組成也很有用．十九世紀初，在研究太陽光譜時，發(fā)現(xiàn)它的連續(xù)光譜中有許多暗線（參看彩圖9，其中只有一些主要暗線）．最初不知道這些暗線是怎樣形成的，后來人們了解了吸收光譜的成因，才知道這是太陽內(nèi)部發(fā)出的強光經(jīng)過溫度比較低的太陽大氣層時產(chǎn)生的吸收光譜．仔細分析這些暗線，把它跟各種原子的特征譜線對照，人們就知道了太陽大氣層中含有氫、氦、氮、碳、氧、鐵、鎂、硅、鈣、鈉等幾十種元素．
復(fù)色光經(jīng)過色散系統(tǒng)分光后按波長的大小依次排列的圖案，如太陽光經(jīng)過分光后形成按紅橙黃綠藍靛紫次序連續(xù)分布的彩色光譜．有關(guān)光譜的結(jié)構(gòu)，發(fā)生機制，性質(zhì)及其在科學(xué)研究、生產(chǎn)實踐中的應(yīng)用已經(jīng)累積了很豐富的知識并且構(gòu)成了一門很重要的學(xué)科～光譜學(xué)．光譜學(xué)的應(yīng)用非常廣泛，每種原子都有其獨特的光譜，猶如人們的“指紋”一樣各不相同．它們按一定規(guī)律形成若干光譜線系．原子光譜線系的性質(zhì)與原子結(jié)構(gòu)是緊密相聯(lián)的，是研究原子結(jié)構(gòu)的重要依據(jù)．應(yīng)用光譜學(xué)的原理和實驗方法可以進行光譜分析，每一種元素都有它特有的標識譜線，把某種物質(zhì)所生成的明線光譜和已知元素的標識譜線進行比較就可以知道這些物質(zhì)是由哪些元素組成的，用光譜不僅能定性分析物質(zhì)的化學(xué)成分，而且能確定元素含量的多少．光譜分析方法具有極高的靈敏度和準確度．在地質(zhì)勘探中利用光譜分析就可以檢驗礦石里所含微量的貴重金屬、稀有元素或放射性元素等．用光譜分析速度快，大大提高了工作效率．還可以用光譜分析研究天體的化學(xué)成分以及校定長度的標準原器等．
復(fù)色光經(jīng)過色散系統(tǒng)（如棱鏡、光柵）分光后，按波長（或頻率）的大小依次排列的圖案。例如，太陽光經(jīng)過三棱鏡后形成按紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫次序連續(xù)分布的彩色光譜。紅色到紫 色，相應(yīng)于波長由7,700—3,900埃的區(qū)域，是為人眼所能感覺的可見部分。紅端之外為波長更長的紅外光，紫端之外則為波長更短的紫外光，都不能為肉眼所覺察，但能用儀器記錄。
因此，按波長區(qū)域不同，光譜可分為紅外光譜、可見光譜和紫外光譜；按產(chǎn)生的本質(zhì)不同，可分為原子光譜、分子光譜；按產(chǎn)生的方式不同，可分為發(fā)射光譜、吸收光譜和散射光譜；按光譜表觀形態(tài)不同，可分為線光譜、帶光譜和連續(xù)光譜。
光譜分如下幾種形式。
①線狀光譜。由狹窄譜線組成的光譜。單原子氣體或金屬蒸氣所發(fā)的光波均有線狀光譜，故線狀光譜又稱原子光譜。當原子能量從較高能級向較低能級躍遷時，就輻射出波長單一的光波。嚴格說來這種波長單一的單色光是不存在的，由于能級本身有一定寬度和多普勒效應(yīng)等原因，原子所輻射的光譜線總會有一定寬度（見譜線增寬）；即在較窄的波長范圍內(nèi)仍包含各種不同的波長成分。原子光譜按波長的分布規(guī)律反映了原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，每種原子都有自己特殊的光譜系列。通過對原子光譜的研究可了解原子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，或?qū)悠匪煞诌M行定性和定量分析。
②帶狀光譜。由一系列光譜帶組成，它們是由分子所輻射，故又稱分子光譜。利用高分辨率光譜儀觀察時，每條譜帶實際上是由許多緊挨著的譜線組成。帶狀光譜是分子在其振動和轉(zhuǎn)動能級間躍遷時輻射出來的，通常位于紅外或遠紅外區(qū)。通過對分子光譜的研究可了解分子的結(jié)構(gòu)。
③連續(xù)光譜。包含一切波長的光譜，赤熱固體所輻射的光譜均為連續(xù)光譜。同步輻射源（見電磁輻射）可發(fā)出從微波到X射線的連續(xù)光譜，X射線管發(fā)出的軔致輻射部分也是連續(xù)譜。
④吸收光譜。具有連續(xù)譜的光波通過物質(zhì)樣品時，處于基態(tài)的樣品原子或分子將吸收特定波長的光而躍遷到激發(fā)態(tài)，于是在連續(xù)譜的背景上出現(xiàn)相應(yīng)的暗線或暗帶，稱為吸收光譜。每種原子或分子都有反映其能級結(jié)構(gòu)的標識吸收光譜。研究吸收光譜的特征和規(guī)律是了解原子和分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重要手段。吸收光譜首先由J.V.夫瑯和費在太陽光譜中發(fā)現(xiàn)（稱夫瑯和費線），并據(jù)此確定了太陽所含的某些元素。
具體的元素光譜：紅色代表硫元素,藍色代表氧元素,而綠色代表氫元素。
China光譜網(wǎng)核心介紹：光譜學(xué)是光學(xué)的一個分支學(xué)科，它主要研究各種物質(zhì)的光譜的產(chǎn)生及其同物質(zhì)之間的相互作用。光譜是電磁輻射按照波長的有序排列，根據(jù)實驗條件的不同，各個輻射波長都具有各自的特征強度。通過光譜的研究，人們可以得到原子、分子等的能級結(jié)構(gòu)、能級壽命、電子的組態(tài)、分子的幾何形狀、化學(xué)鍵的性質(zhì)、反應(yīng)動力學(xué)等多方面物質(zhì)結(jié)構(gòu)的知識。但是，光譜學(xué)技術(shù)并不僅是一種科學(xué)工具，在化學(xué)分析中它也提供了重要的定性與定量的分析方法?！ ?/p>
光譜發(fā)展簡史
人們對光譜的研究已有一百多年的歷史了。1666年，牛頓把通過玻璃棱鏡的太陽光分解成了從紅光到紫光的各種顏色的光譜，他發(fā)現(xiàn)白光是由各種顏色的光組成的。這是可算是最早對光譜的研究。
其后一直到1802年，渥拉斯頓觀察到了光譜線，其后在1814年夫瑯和費也獨立地發(fā)現(xiàn)它。牛頓之所以沒有能觀察到光譜線，是因為他使太陽光通過了圓孔而不是通過狹縫。在1814～1815年間，夫瑯和費公布了太陽光譜中的許多條暗線，并以字母來命名，其中有些命名沿用至今。此后便把這些線稱為夫瑯和費暗線。
實用光譜學(xué)是由基爾霍夫與本生在19世紀60年代發(fā)展起來的；他們證明光譜學(xué)可以用作定性化學(xué)分析的新方法，并利用這種方法發(fā)現(xiàn)了幾種當時還未知的元素，并且證明了太陽里也存在著多種已知的元素。
從19世紀中葉起，氫原子光譜一直是光譜學(xué)研究的重要課題之一。在試圖說明氫原子光譜的過程中，所得到的各項成就對量子力學(xué)法則的建立起了很大促進作用。這些法則不僅能夠應(yīng)用于氫原子，也能應(yīng)用于其他原子、分子和凝聚態(tài)物質(zhì)。
氫原子光譜中最強的一條譜線是1853年由瑞典物理學(xué)家埃斯特朗探測出來的。此后的20年，在星體的光譜中觀測到了更多的氫原子譜線。1885年，從事天文測量的瑞士科學(xué)家巴耳末找到一個經(jīng)驗公式來說明已知的氫原子諾線的位置，此后便把這一組線稱為巴耳末系。繼巴耳末的成就之后，1889年，瑞典光譜學(xué)家里德伯發(fā)現(xiàn)了許多元素的線狀光譜系，其中最為明顯的為堿金屬原子的光譜系，它們也都能滿足一個簡單的公式。
盡管氫原子光譜線的波長的表示式十分簡單，不過當時對其起因卻茫然不知。一直到1913年，玻爾才對它作出了明確的解釋。但玻爾理論并不能解釋所觀測到的原子光譜的各種特征，即使對于氫原子光譜的進一步的解釋也遇到了困難。
能夠滿意地解釋光譜線的成因的是20世紀發(fā)展起來的量子力學(xué)。電子不僅具有軌道角動量，而且還具有自旋角動量。這兩種角動量的結(jié)合便成功地解釋了光譜線的分裂現(xiàn)象。
電子自旋的概念首先是在1925年由烏倫貝克和古茲密特作為假設(shè)而引入的，以便解釋堿金屬原子光譜的測量結(jié)果。在狄喇克的相對論性量子力學(xué)中，電子自旋(包括質(zhì)子自旋與中子自旋)的概念有了牢固的理論基礎(chǔ)，它成了基本方程的自然結(jié)果而不是作為一種特別的假設(shè)了。
1896年，塞曼把光源放在磁場中來觀察磁場對光三重線，發(fā)現(xiàn)這些譜線都是偏振的?，F(xiàn)在把這種現(xiàn)象稱為塞曼效應(yīng)。次年，洛倫茲對于這個效應(yīng)作了滿意的解釋。
塞曼效應(yīng)不僅在理論上具有重要意義，而且在應(yīng)用中也是重要的。在復(fù)雜光譜的分類中，塞曼效應(yīng)是一種很有用的方法，它有效地幫助了人們對于復(fù)雜光譜的理解。
光譜研究內(nèi)容
根據(jù)研究光譜方法的不同，習慣上把光譜學(xué)區(qū)分為發(fā)射光譜學(xué)、吸收光譜學(xué)與散射光譜學(xué)。這些不同種類的光譜學(xué)，從不同方面提供物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)知識及不同的化學(xué)分析方法。
發(fā)射光譜可以區(qū)分為三種不同類別的光譜：線狀光譜、帶狀光譜和連續(xù)光譜。線狀光譜主要產(chǎn)生于原子，帶狀光譜主要產(chǎn)生于分子，連續(xù)光譜則主要產(chǎn)生于白熾的固體或氣體放電。
現(xiàn)在觀測到的原子發(fā)射的光譜線已有百萬條了。每種原子都有其獨特的光譜，猶如人的指紋一樣是各不相同的。根據(jù)光譜學(xué)的理論，每種原子都有其自身的一系列分的能態(tài)，每一能態(tài)都有一定的能量。
我們把氫原子光譜的最小能量定為最低能量，這個能態(tài)稱為基態(tài)，相應(yīng)的能級稱為基能級。當原子以某種方法從基態(tài)被提升到較高的能態(tài)上時，原子的內(nèi)部能量增加了，原子就會把這種多余的能量以光的形式發(fā)射出來，于是產(chǎn)生了原子的發(fā)射光譜，反之就產(chǎn)生吸收光譜。這種原子能態(tài)的變化不是連續(xù)的，而是量子性的，我們稱之為原子能級之間的躍遷。
在分子的發(fā)射光譜中，研究的主要內(nèi)容是二原子分子的發(fā)射光譜。在分子中，電子態(tài)的能量比振動態(tài)的能量大50～100倍，而振動態(tài)的能量比轉(zhuǎn)動態(tài)的能量大50～100倍。因此在分子的電子態(tài)之間的躍遷中，總是伴隨著振動躍遷和轉(zhuǎn)動躍遷的，因而許多光譜線就密集在一起而形成帶狀光譜。
從發(fā)射光譜的研究中可以得到原子與分子的能級結(jié)構(gòu)的知識，包括有關(guān)重要常數(shù)的測量。并且原子發(fā)射光譜廣泛地應(yīng)用于化學(xué)分析中。
當一束具有連續(xù)波長的光通過一種物質(zhì)時，光束中的某些成分便會有所減弱，當經(jīng)過物質(zhì)而被吸收的光束由光譜儀展成光譜時，就得到該物質(zhì)的吸收光譜。幾乎所有物質(zhì)都有其獨特的吸收光譜。原子的吸收光譜所給出的有關(guān)能級結(jié)構(gòu)的知識同發(fā)射光譜所給出的是互為補充的。
一般來說，吸收光譜學(xué)所研究的是物質(zhì)吸收了那些波長的光，吸收的程度如何，為什么會有吸收等問題。研究的對象基本上為分子。
吸收光譜的光譜范圍是很廣闊的，大約從10納米到1000微米。在200納米到800納米的光譜范圍內(nèi)，可以觀測到固體、液體和溶液的吸收，這些吸收有的是連續(xù)的，稱為一般吸收光譜；有的顯示出一個或多個吸收帶，稱為選擇吸收光譜。所有這些光譜都是由于分子的電子態(tài)的變化而產(chǎn)生的。
選擇吸收光譜在有機化學(xué)中有廣泛的應(yīng)用，包括對化合物的鑒定、化學(xué)過程的控制、分子結(jié)構(gòu)的確定、定性和定量化學(xué)分析等。
分子的紅外吸收光譜一般是研究分子的振動光譜與轉(zhuǎn)動光譜的，其中分子振動光譜一直是主要的研究課題。
分子振動光譜的研究表明，許多振動頻率基本上是分子內(nèi)部的某些很小的原子團的振動頻率，并且這些頻率就是這些原子團的特征，而不管分子的其余的成分如何。這很像可見光區(qū)域色基的吸收光譜，這一事實在分子紅外吸收光譜的應(yīng)用中是很重要的。多年來都用來研究多原子分子結(jié)構(gòu)、分子的定量及定性分析等。
在散射光譜學(xué)中，喇曼光譜學(xué)是最為普遍的光譜學(xué)技術(shù)。當光通過物質(zhì)時，除了光的透射和光的吸收外，還觀測到光的散射。在散射光中除了包括原來的入射光的頻率外(瑞利散射和廷德耳散射)，還包括一些新的頻率。這種產(chǎn)生新頻率的散射稱為喇曼散射，其光譜稱為喇曼光譜。
喇曼散射的強度是極小的，大約為瑞利散射的千分。喇曼頻率及強度、偏振等標志著散射物質(zhì)的性質(zhì)。從這些資料可以導(dǎo)出物質(zhì)結(jié)構(gòu)及物質(zhì)組成成分的知識。這就是喇曼光譜具有廣泛應(yīng)用的原因。
由于喇曼散射非常弱，所以一直到1928年才被印度物理學(xué)家喇曼等所發(fā)現(xiàn)。他們在用汞燈的單色光來照射某些液體時，在液體的散射光中觀測到了頻率低于入射光頻率的新譜線。在喇曼等人宣布了他們的發(fā)現(xiàn)的幾個月后，蘇聯(lián)物理學(xué)家蘭茨見格等也獨立地報道了晶體中的這種效應(yīng)的存在。
喇曼效應(yīng)起源于分子振動(和點陣振動)與轉(zhuǎn)動，因此從喇曼光譜中可以得到分子振動能級(點陣振動能級)與轉(zhuǎn)動能級結(jié)構(gòu)的知識。
喇曼散射強度是十分弱的，在激光器出現(xiàn)之前，為了得到一幅完善的光譜，往往很費時間。自從激光器得到發(fā)展以后，利用激光器作為激發(fā)光源，喇曼光譜學(xué)技術(shù)發(fā)生了很大的變革。激光器輸出的激光具有很好的單色性、方向性，且強度很大，因而它們成為獲得喇曼光譜的近乎理想的光源，特別是連續(xù)波氬離子激光器與氨離子激光器。于是喇曼光譜學(xué)的研究又變得非常活躍了，其研究范圍也有了很大的擴展。除擴大了所研究的物質(zhì)的品種以外，在研究燃燒過程、探測環(huán)境污染、分析各種材料等方面喇曼光譜技術(shù)也已成為很有用的工具。
其它光學(xué)分支學(xué)科：
光學(xué)、幾何光學(xué)、波動光學(xué)、大氣光學(xué)、海洋光學(xué)、 量子光學(xué)、光譜學(xué)、生理光學(xué)、 電子光學(xué)、集成光學(xué)、 空間光學(xué)、光子學(xué)等。
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