光譜 -光學頻譜

光譜

光譜(Spectrum) :復色光經過色散系統(如棱鏡、光柵)分光後,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,在這個波長範圍內的電磁輻射被稱作可見光。光譜並沒有包含人類大腦視覺所能區別的所有顏色,譬如褐色和粉紅色。

光波是由原子內部運動的電子產生的。各種物質的原子內部電子的運動情況不同,所以它們發射的光波也不同。研究不同物質的發光和吸收光的情況,有重要的理論和實際意義,已成為一門專門的學科--光譜學

  • 中文名稱
    光譜
  • 外文名稱
    Spectrum
  • 學科
    光譜學
  • 全稱
    光學頻譜

基本介紹

光譜是復色光經過色散系統(如棱鏡、光柵)分光後,被色散開的單色光按波長(或頻率)大小而依次排列的圖案。光波是由原子內部運動的電子產生的。

各種物質的原子內部電子的運動情況不同,所以它們發射的光波也不同.研究不同物質的發光和吸收光的情況,有重要的理論和實際意義,已成為一門專門的學科——光譜學。

分子的紅外吸收光譜一般是研究分子的振動光譜與轉動光譜的,其中分子振動光譜一直是主要的研究課題。

詳細介紹

光波是由原子內部運動的電子受激發後由較高能級向較低能級躍遷產生的。各種物質的原子內部電子的運動情況不同,所以它們發射的光波也不同。研究不同物質的發光和吸收光的情況,有重要的理論和實際意義,已成為一門專門的學科——光譜學。下面簡單介紹一些關于光譜的知識。

光譜種類

發射光譜物體發光直接產生的光譜叫做發射光譜。發射光譜有兩種類型:連續光譜和明線光譜。

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);即在較窄的波長範圍內仍包含各種不同的波長成分。原子光譜按波長的分布規律反映了原子的內部結構,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部的結構,或對樣品所含成分進行定性和定量分析。

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。利用高解析度光譜儀觀察時,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動能級間躍遷時輻射出來的,通常位于紅外或遠紅外區。通過對分子光譜的研究可了解分子的結構。

光譜

連續光譜

連續分布的包含有從紅光到紫光各種色光的光譜叫做連續光譜。熾熱的固體、液體和高壓氣體的發射光譜是連續光譜。例如電燈絲發出的光、熾熱的鋼水發出的光都形成連續光譜。

隻含有一些不連續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,各條譜線對應于不同波長的光。稀薄氣體或金屬的蒸氣的發射光譜是明線光譜。明線光譜是由遊離狀態的原子發射的,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,裏面裝有低壓氣體,管的兩端有兩個電極。把兩個電極接到高壓電源上,管裏稀薄氣體發生輝光放電,產生一定顏色的光。

原子光譜

觀察固態或液態物質的原子光譜,可以把它們放到煤氣燈的火焰電弧中去燒,使它們氣化後發光,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。每種原子隻能發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和研究原子的結構。

吸收光譜

高溫物體發出的白光(其中包含連續分布的一切波長的光)通過物質時,某些波長的光被物質吸收後產生的光譜,(或具有連續譜的光波通過物質樣品時,處于基態的樣品原子或分子將吸收特定波長的光而躍遷到激發態,于是在連續譜的背景上出現相應的暗線或暗帶),叫做吸收光譜。例如,讓弧光燈發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生鈉氣),然後用分光鏡來觀察,就會看到在連續光譜的背景中有兩條挨得很近的暗線(見彩圖8.分光鏡的分辨本領不夠高時,隻能看見一條暗線)。這就是鈉原子的吸收光譜。值得註意的是,各種原子的吸收光譜中的每一條暗線都跟該種原子的發射光譜中的一條明線相對應。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出的光。因此,吸收光譜中的譜線(暗線),也是原子的特征譜線,隻是通常在吸收光譜中看到的特征譜線比明線光譜中的少。每種原子或分子都有反映其能級結構的標識吸收光譜。研究吸收光譜的特征和規律是了解原子和分子內部結構的重要手段。吸收光譜首先由J.V.夫琅和費在太陽光譜中發現(稱夫琅和費線),並據此確定了太陽所含的某些元素。

光譜

發展歷史

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,他發現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。

其後一直到1802年,渥拉斯頓觀察到了光譜線,其後在1814年夫琅和費也獨立地發現它。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年之間,夫琅和費公布了太陽光譜中的許多條暗線,並以字母來命名,其中有些命名沿用至今。此後便把這些線稱為夫琅和費暗線。

實用光譜學是由基爾霍夫與本生在19世紀60年代發展起來的;他們證明光譜學可以用作定性化學分析的新方法,並利用這種方法發現了幾種當時還未知的元素,並且證明了太陽裏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研究的重要課題之一。在嘗試說明氫原子光譜的過程中,所得到的各項成就對量子力學法則的建立起了很大促進作用。這些法則不僅能夠套用于氫原子,也能套用于其他原子、分子和凝聚態物質。

光譜

氫原子光譜中最強的一條譜線是1853年由瑞典物理學家埃斯特朗探測出來的。此後的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家巴耳末找到一個經驗公式來說明已知的氫原子諾線的位置,此後便把這一組線稱為巴耳末系。繼巴耳末的成就之後,1889年,瑞典光譜學家裏德伯發現了許多元素的線狀光譜系,其中最為明顯的為鹼金屬原子的光譜系,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。但玻爾理論並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世紀發展起來的量子力學。電子不僅具有軌道角動量,而且還具有自旋角動量。這兩種角動量的結合便成功地解釋了光譜線的分裂現象。

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而引入的,以便解釋鹼金屬原子光譜的測量結果。在狄喇克的相對論性量子力學中,電子自旋(包括質子自旋與中子自旋)的概念有了牢固的理論基礎,它成了基本方程的自然結果而不是作為一種特別的假設了。

1896年,塞曼把光源放在磁場中來觀察磁場對光三重線,發現這些譜線都是偏振的。現在把這種現象稱為塞曼效應。次年,洛倫茲對于這個效應作了滿意的解釋。

塞曼效應不僅在理論上具有重要意義,而且在套用中也是重要的。在復雜光譜的分類中,塞曼效應是一種很有用的方法,它有效地幫助了人們對于復雜光譜的理解。

相關研究

根據研究光譜方法的不同,習慣上把光譜學區分為發射光譜學、吸收光譜學與散射光譜學。這些不同種類的光譜學,從不同方面提供物質微觀結構知識及不同的化學分析方法。

發射光譜可以區分為三種不同類別的光譜:線狀光譜、帶狀光譜和連續光譜。線狀光譜主要產生于原子,帶狀光譜主要產生于分子,連續光譜則主要產生于白熾的固體或氣體放電。

現在觀測到的原子發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。根據光譜學的理論,每種原子都有其自身的一系列分立的能態,每一能態都有一定的能量。

我們把氫原子光譜的最小能量定為最低能量,這個能態稱為基態,相應的能級稱為基能級。當原子以某種方法從基態被提升到較高的能態上時,原子的內部能量增加了,原子就會把這種多餘的能量以光的形式發射出來,于是產生了原子的發射光譜,反之就產生吸收光譜。這種原子能態的變化不是連續的,而是量子性的,我們稱之為原子能級之間的躍遷。

在分子的發射光譜中,研究的主要內容是二原子分子的發射光譜。在分子中,電子態的能量比振動態的能量大50~100倍,而振動態的能量比轉動態的能量大50~100倍。因此在分子的電子態之間的躍遷中,總是伴隨著振動躍遷和轉動躍遷的,因而許多光譜線就密集在一起而形成帶狀光譜。

從發射光譜的研究中可以得到原子與分子的能級結構的知識,包括有關重要常數的測量。並且原子發射光譜廣泛地套用于化學分析中。

當一束具有連續波長的光通過一種物質時,光束中的某些成分便會有所減弱,當經過物質而被吸收的光束由光譜儀展成光譜時,就得到該物質的吸收光譜。幾乎所有物質都有其獨特的吸收光譜。原子的吸收光譜所給出的有關能級結構的知識同發射光譜所給出的是互為補充的。

一般來說,吸收光譜學所研究的是物質吸收了那些波長的光,吸收的程度如何,為什麽會有吸收等問題。研究的對象基本上為分子。

吸收光譜的光譜範圍是很廣闊的,大約從10納米到1000微米。在200納米到800納米的光譜範圍內,可以觀測到固體、液體和溶液的吸收,這些吸收有的是連續的,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的變化而產生的。

選擇吸收光譜在有機化學中有廣泛的套用,包括對化合物的鑒定、化學過程的控製、分子結構的確定、定性和定量化學分析等。

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部的某些很小的原子團的振動頻率,並且這些頻率就是這些原子團的特征,而不管分子的其餘的成分如何。這很像可見光區域色基的吸收光譜,這一事實在分子紅外吸收光譜的套用中是很重要的。多年來都用來研究多原子分子結構、分子的定量及定性分析等。

在散射光譜學中,喇曼光譜學是最為普遍的光譜學技術。當光通過物質時,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之一。喇曼頻率及強度、偏振等標志著散射物質的性質。從這些資料可以導出物質結構及物質組成成分的知識。這就是喇曼光譜具有廣泛套用的原因。

由于喇曼散射非常弱,所以一直到1928年才被印度物理學家喇曼等所發現。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現的幾個月後,蘇聯物理學家蘭茨見格等也獨立地報道了晶體中的這種效應的存在。

喇曼效應起源于分子振動(和點陣振動)與轉動,因此從喇曼光譜中可以得到分子振動能級(點陣振動能級)與轉動能級結構的知識。

喇曼散射強度是十分微弱的,在雷射器出現之前,為了得到一幅完善的光譜,往往很費時間。自從雷射器得到發展以後,利用雷射器作為激發光源,喇曼光譜學技術發生了很大的變革。雷射器輸出的雷射具有很好的單色性、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,特別是連續波氬離子雷射器與氨離子雷射器。于是喇曼光譜學的研究又變得非常活躍了,其研究範圍也有了很大的擴展。除擴大了所研究的物質的品種以外,在研究燃燒過程、探測環境污染、分析各種材料等方面喇曼光譜技術也已成為很有用的工具。

其它光學分支學科:

光學、幾何光學、波動光學、大氣光學、海洋光學、 量子光學、光譜學、生理光學、 電子光學、集成光學、 空間光學、光子學等。

光譜相關

分光鏡

觀察光譜要用分光鏡,這裏我們先講一下分光鏡的構造原理。圖6-18是分光鏡的構造原理示意圖。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節的狹縫S,它位于透鏡L1的焦平面①處.從狹縫射入的光線經透鏡L1折射後,變成平行光線射到三棱鏡P上。不同顏色的光經過三棱鏡沿不同的折射方向射出,並在透鏡L2後方的焦平面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那裏放上照相底片,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。

光譜

元素光譜

不同的原子的顏色是不同的。不同元素的光譜不一樣,也就是他們吸收和跳變躍級釋放出的光的波長不一樣,因此也產生了顏色的差別。如果物質是以單原子的形式而存在,關鍵看該原子的電子激發能了。如果在可見光的某個範圍內,並且吸收某一部分光線,那它就顯剩下的部分的光線的顏色。如該原子的電子激發能非常低,可以吸收任意的光線,該原子就是黑色的,如果該原子的電子激發能非常高。不能吸收任何光線,它就是白色的。如果它能吸收短波部分的光線,那它就是紅色或黃色的。實驗證明,原子不同,發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.每種原子隻能發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.通過光譜的研究,人們可以得到原子、分子等的能級結構、能級壽命、電子的組態、分子的幾何形狀、化學鍵的性質、反應動力學等多方面物質結構的知識。

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。

光譜分析

由于每種原子都有自己的特征譜線,因此可以根據光譜來鑒別物質和確定它的化學組成。這種方法叫做光譜分析。做光譜分析時,可以利用發射光譜,也可以利用吸收光譜。這種方法的優點是非常靈敏而且迅速。某種元素在物質中的含量達10^-10(10的負10次方)克,就可以從光譜中發現它的特征譜線,因而能夠把它檢查出來。光譜分析在科學技術中有廣泛的套用。例如,在檢查半導體材料矽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現了許多新元素。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現的。光譜分析對于研究天體的化學組成也很有用。十九世紀初,在研究太陽光譜時,發現它的連續光譜中有許多暗線(參看彩圖9,其中隻有一些主要暗線)。最初不知道這些暗線是怎樣形成的,後來人們了解了吸收光譜的成因,才知道這是太陽內部發出的強光經過溫度比較低的太陽大氣層時產生的吸收光譜。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、矽、鈣、鈉等幾十種元素。

光譜

復色光經過色散系統分光後按波長的大小依次排列的圖案,如太陽光經過分光後形成按紅橙黃綠藍靛紫次序連續分布的彩色光譜。有關光譜的結構,發生機製,性質及其在科學研究、生產實踐中的套用已經累積了很豐富的知識並且構成了一門很重要的學科~光譜學。光譜學的套用非常廣泛,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。它們按一定規律形成若幹光譜線系。原子光譜線系的性質與原子結構是緊密相聯的,是研究原子結構的重要依據。套用光譜學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是由哪些元素組成的,用光譜不僅能定性分析物質的化學成分,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。在地質勘探中利用光譜分析就可以檢驗礦石裏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成分以及校定長度的標準原器等。

光譜

復色光經過色散系統(如棱鏡、光柵)分光後,按波長(或頻率)的大小依次排列的圖案。例如,太陽光經過三棱鏡後形成按紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫次序連續分布的彩色光譜。紅色到紫色,相應于波長由0.77~0.39μm的區域,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,按波長區域不同,光譜可分為紅外光譜可見光譜紫外光譜;按產生的本質不同,可分為原子光譜、分子光譜;按產生的方式不同,可分為發射光譜、吸收光譜和散射光譜;按光譜表觀形態不同,可分為線光譜、帶光譜和連續光譜。    

相關詞條

相關搜尋

其它詞條