光譜技術的簡介、應用與發(fā)展

　　光波是由原子內部中運動的電子產(chǎn)生的。由于每種物質的原子內部電子的運動情況都不同，所以它們發(fā)射的光波也不同。研究不同物質的發(fā)光以及吸收光的情況，有很重要的理論和實際意義，現(xiàn)在已成為一門專業(yè)的學科——光譜學。

　　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。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。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(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，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。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和研究原子的結構。

　　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）通過物質時，某些波長的光被物質吸收后產(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，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．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。

　　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(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。某種元素在物質中的含量達10-10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。

　　光譜分析在科學技術中的應用

　?、?在檢查半導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；

　　③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(fā)現(xiàn)它的連續(xù)光譜中有許多暗線。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。有關光譜的結構，發(fā)生機制，性質及其在科學研究、生產(chǎn)實踐中的應用已經(jīng)累積了很豐富的知識并且構成了一門很重要的學科～光譜學。光譜學的應用非常廣泛，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與原子結構是緊密相聯(lián)的，是研究原子結構的重要依據(jù)。應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成分以及校定長度的標準原器等。

　　復色光經(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，相應于波長由7700-3900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

　?、?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構。

　?、?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。

　?、?吸收光譜。

　　具有連續(xù)譜的光波通過物質樣品時，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構的標識吸收光譜。研究吸收光譜的特征和規(guī)律是了解原子和分子內部結構的重要手段。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。

　　光譜技術和光譜儀器持續(xù)向高科技知識密集化方向發(fā)展

　　20世紀末已經(jīng)發(fā)展和成熟的數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡化光譜分析檢測技術和光譜儀器，目前已成為光譜技術和光譜儀器持續(xù)發(fā)展的主要方向；以光學原理為基礎、以精密機械為構架、以電子信號處理為顯示的傳統(tǒng)光-機-電一體化光譜儀器已經(jīng)退縮為現(xiàn)代光譜儀器中的二等地位組成，而數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡化等部分已成為儀器的核心組成。近期國內外新穎光譜儀器新產(chǎn)品層出不窮，其主要變化或進展大部分都體現(xiàn)在核心數(shù)字化組成方面，光機電%基本組成沒有實質性的變化。

　　可以預計，雖然光機電%基本組成也會隨著全球高科技發(fā)展而不斷更新，例如2004年德國Zeiss公司推出應用連續(xù)光源、交叉色散系統(tǒng)的contrAA連續(xù)光源原子吸收分光光度計構成的核心組成的不斷吸收最新高科技發(fā)展成果而不斷更新，而且使光譜儀器發(fā)生出人意料的革命性變化，將是今后若干年光譜儀器事業(yè)持續(xù)發(fā)展的主流方向。例如，在數(shù)字化高科技基礎上將光譜分析技術與光學成像技術巧妙結合發(fā)展出光譜成像技術，將光譜技術進化到既能完成定性、定量分析，又可進行定位分析的新科技，滿足新世紀提出的？看到人腦組織中化學、生化成分分