光譜分析

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根據物質光譜來鑒別物質及確定它的化學組成和相對含量的方法叫光譜分析其優點是靈敏迅速歷史上曾通過光譜分析發現了許多新元素如銣銫氦等根據分析原理光譜分析可分為發XX光譜分析與吸收光譜分析二種根據被測成分形態可分為原子光譜分析與分子光譜分析光譜分析的被測成分是原子的稱為原子光譜,被測成分是分子的則稱為分子光譜

目 錄1光譜分析

2原理

3分子光譜

3.1 簡介

3.2 分類

3.3 作用

4光譜圖

5儀器

6光譜分如下幾種形式

7歷史

8光譜研究的內容

1光譜分析由於每種原子都有自己的特徵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XX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徵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應用例如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 太陽光譜

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徵譜線而被發現的光譜分析對於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徵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

  複色光經過色散系統分光后按波長的大小依次排列的圖案如太陽光經過分光后形成按紅橙黃綠藍靛紫次序連續分佈的彩色光譜有關光譜的結構發生機制性質及其在科學研究生產實踐中的應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的是研究原子結構的重要依據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XX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標準原器等

  複色光經過色散系統如稜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過三稜鏡后形成按紅橙黃綠藍靛紫次序連續分佈的彩色光譜紅色到紫 色相應于波長由77003900埃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和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XX光譜吸收光譜和散XX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[1]

2原理髮XX光譜分析是根據被測原子或分子在激髮狀態下發XX的特徵光譜的強度計算其含量

吸收光譜是根據待測元素的特徵光譜,通過樣品蒸汽中待測元素的基態原子吸收被測元素的光譜后被減弱的強度計算其含量它符合郎珀-比爾定律:

A= -lg I/I o= -lgT = KCL

式中I為透XX光強度I0為發XX光強度T為透XX比L為光通過原子化器光程由於L是不變值所以A=KC

物理原理為

任何元素的原子都是由原子核和繞核運動的電子組成的原子核外電子按其能量的高低分層分佈而形成不同的能級因此一個原子核可以具有多種能級狀態

能量最低的能級狀態稱為基態能級E0=0其餘能級稱為激發態能級而能最低的激發態則稱為第一激發態正常情況下原子處於基態核外電子在各自能量最低的軌道上運動

如果將一定外界能量如光能提供給該基態原子當外界光能量E恰好等於該基態原子中基態和某一較高能級之間的能級差E時該原子將吸收這一特徵波長的光外層電子由基態躍遷到相應的激發態原來提供能量的光經分光后譜線中缺少了一些特徵光譜線因而產生原子吸收光譜

電子躍遷到較高能級以後處於激發態但激發態電子是不穩定的大約經過10-8秒以後激發態電子將返回基態或其它較低能級並將電子躍遷時所吸收的能量以光的形式釋放出去這個過程稱原子發XX光譜可見原子吸收光譜過程吸收輻XX能量而原子發XX光譜過程則釋放輻XX能量

3分子光譜簡介molecular spectra

分子從一種能態改變到另一種能態時的吸收或發XX光譜可包括從紫外到遠紅外直至微波譜分子光譜與分子繞軸的轉動分子中原子在平衡位置的振動和分子內電子的躍遷相對應

分類分子能級之間躍遷形成的發XX光譜和吸收光譜分子光譜非常豐富可分為純轉動光譜振動 - 轉動光譜帶和電子光譜帶分子的純轉動光譜由分子轉動能級之間的躍遷產生分佈在遠紅外波段通常主要觀測吸收光譜振動 - 轉動光譜帶由不同振動能級上的各轉動能級之間躍遷產生是一些密集的譜線分佈在近紅外波段通常也主要觀測吸收光譜電子光譜帶由不同電子態上不同振動和不同轉動能級之間的躍遷產生可分成許多帶分佈在可見或紫外波段可觀測發XX光譜非極性分子由於不存在電偶極矩沒有轉動光譜和振動-轉動光譜帶只有極性分子才有這類光譜帶[2]

作用分子光譜是提供分子內部信息的主要途徑根據分子光譜可以確定分子的轉動慣量分子的鍵長和鍵強度以及分子離解能等許多性質從而可推測分子的結構

分子的內部運動狀態發生變化所產生的吸收或發XX光譜(從紫外到遠紅外直至微波譜)分子運動包括整個分子的轉動分子中原子在平衡位置的振動以及分子內電子的運動因此分子光譜一般有三種類型轉動光譜振動光譜和電子光譜分子中的電子在不同能級上的躍遷產生電子光譜由於它們處在紫外與可見區又稱為紫外可見光譜電子躍遷常伴隨能量較小的振轉躍遷所以它是帶狀光譜與同一電子能態的不同振動能級躍遷對應的是振動光譜這部分光譜處在紅外區而稱為紅外光譜振動伴隨著轉動能級的躍遷所以這部分光譜也有較多較密的譜線故又稱振轉光譜純粹由分子轉動能級間的躍遷產生的光譜稱為轉動光譜這部分光譜一般位於波長較長的遠紅外區和微波區而稱為遠紅外光譜或微波譜

4光譜圖光色波長λ(nm)區間 [3]代表波長

紅Red780~630--700

橙Orange630~600---620

黃Yellow600~570---580

綠Green570~500---550

青Cyan500~470 光譜圖

---500

藍Blue470~420---470

紫Violet420~380---420

5儀器現代光譜分析儀器有原子發XX光譜儀原子吸收光譜儀(原子吸收分光光度計)紅外光譜儀等

6光譜分如下幾種形式①線狀光譜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XX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於能級本身有一定寬度和多普勒效應等原因原子所輻XX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佈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

  ②帶狀光譜由一系列光譜帶組成它們是由分子所輻XX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XX出來的通常位於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

  ③連續光譜包含一切波長的光譜赤熱固體所輻XX的光譜均為連續光譜同步輻XX源見電磁輻XX可發出從微波到XXX線的連續光譜XXX線管發出的軔致輻XX部分也是連續譜

  ④吸收光譜具有連續譜的光波通過物質樣品時處於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於是在連續譜的背景上出現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徵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

  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光譜網核心介紹光譜學是光學的一個分支學科它主要研究各種物質的光譜的產生及其同物質之間的相互作用光譜是電磁輻XX按照波長的有序排列根據實驗條件的不同各個輻XX波長都具有各自的特徵強度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但是光譜學技術並不僅是一種科學工具在化學分析中它也提供了重要的定性與定量的分析方法[1]

7歷史1802年有一位英國物理學家沃拉斯頓為了驗證光的色散理論重做了牛頓的實驗這一次他在三稜鏡前加上了狹縫使陽光先通過狹縫再經稜鏡分解他發現太陽光不僅被分解為牛頓所觀測到的那種連續光譜而且其中還有一些暗線可惜的是他的報告沒引起人們注意知道的人很少

1814年德國光學家夫琅和費製成了第一台分光鏡它不僅有一個狹縫一塊稜鏡而且在稜鏡前裝上了准直透鏡使來自狹縫的光變成平行光在稜鏡后則裝上了一架小望遠鏡以及精確測量光線偏折角度的裝置夫琅和費點燃了一盞油燈讓燈光通過狹縫XX分光鏡他發現在暗黑的背景上有著一條條象狹縫形狀的明亮的譜線這種光譜就是現在所稱的明線光譜在油燈的光譜中其中有一對靠得很近的黃色譜線相當明顯夫琅和費拿掉油燈換上酒精燈同樣出現了這對黃線他又把酒精燈拿掉換上蠟燭這對黃線依然存在而且還在老位置上

夫琅和費想燈光和燭光太暗了太陽光很強如果把太陽光引進來觀測那是很有意思的於是他用了一面鏡子把太陽光反XX進狹縫他發現太陽的光譜和燈光的光譜截然不同那裡不是一條條的明線光譜而是在紅橙黃綠青藍紫的連續彩帶上有無數條喑線在1814到1817這幾年中夫琅和費共在太陽光譜中數出了五百多條暗線其中有的較濃較黑有的則較為暗淡夫琅和費一一記錄了這些譜線的位置並從紅到紫依次用ABCD……等字母來命名那些最醒目的暗線夫琅和費還發現在燈光和燭光中出現一對黃色明線的位置上在太陽光譜中則恰恰出現了一對醒目的暗線夫琅和費把這對黃線稱為D線

為什麼油燈油精燈和臘燭的光是明線光譜而太陽光譜卻是在連續光譜的背景上有無數條暗線?為什麼前者的光譜中有一對黃色明線而後者正巧在同一位置有一對暗線這些問題夫琅和費無法作出解答直到四十多年後才由基爾霍夫解開了這個謎

1858年秋到1859年夏德國化學家本生埋頭在他的實驗室里進行著一項有趣的實驗他發明了一種煤氣燈(稱本生燈)這種煤氣燈的火焰幾乎沒有顏色而且其溫度可高達二千多度他把含有鈉鉀鋰鍶鋇等不同元素的物質放在火焰上燃燒火焰立即產生了各種不同的顏色本生心裡真高興他想也許從此以後他可以根據火焰的顏色來判別不同的元素了可是當他把幾種元素按不同比例混合再放在火焰上燒時含量較多元素的顏色十分醒目含量較少元素的顏色卻不見了看來光憑顏色還無法作為判別的依據

本生有一位好朋友是物理學家叫基爾霍夫他們倆經常在一起散步討論科學問題有一天本生把他在火焰實驗中所遇到的困難講給基爾霍夫聽這位物理學家對夫琅和費關於太陽光譜的實驗了解得很清楚甚至在他的實驗室里還保存有夫琅和費親手磨製的石英三稜鏡基爾霍夫聽了本生的問題想起了夫琅和費的實驗於是他向本生提出了一個很好的建議不要觀察燃燒物的火焰顏色而應該觀察它的光譜他們倆越談越XX最後決定合作來進行一項實驗

基爾霍夫在他的實驗室中用狹縫小望遠鏡和那個由夫琅和費磨成的石英三稜鏡裝配成一台分光鏡井把它帶到了本生的實驗室本生把含有鈉鉀鋰鍶鋇等不同元素的物質放在本生燈上燃燒基爾霍夫則用分光鏡對準火焰觀測其光譜他們發現不同物質燃燒時產生各不相同的明線光譜接著他們又把幾種物質的混合物放在火焰上燃燒他們發現這些不同物質的光譜線依然在光譜中同時呈現彼此並不互相影響於是根據不同元素的光譜特徵仍能判別出混合物中有那些物質這種情況就象許多人合影在同一張照片上每個人是誰依然可以分得一清二楚一樣就這樣基爾霍夫和本生找到了一種根據光譜來判別化學元素的方法光譜分析術

8光譜研究的內容根據研究光譜方法的不同習慣上把光譜學區分為發XX光譜學吸收光譜學與散XX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 光譜波長分佈圖

發XX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於原子帶狀光譜主要產生於分子連續光譜則主要產生於白熾的固體或氣體放電

  現在觀測到的原子發XX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XX出來於是產生了原子的發XX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XX光譜中研究的主要內容是二原子分子的發XX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XX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XX光譜廣泛地應用於化學分析中

  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XX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麼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於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應用包括對化合物的鑒定化學過程的控制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徵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應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XX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XX和光的吸收外還觀測到光的散XX在散XX光中除了包括原來的入XX光的頻率外(瑞利散XX和廷德耳散XX)還包括一些新的頻率這種產生新頻率的散XX稱為喇曼散XX其光譜稱為喇曼光譜

  喇曼散XX的強度是極小的大約為瑞利散XX的千分之一喇曼頻率及強度偏振等標志著散XX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應用的原因

  由於喇曼散XX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XX某些液體時在液體的散XX光中觀測到了頻率低於入XX光頻率的新譜線在喇曼等人宣布了他們的發現的幾個月后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

  喇曼效應起源於分子振動(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XX強度是十分微弱的在激光器出現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展以後利用激光器作為激發光源喇曼光譜學技術發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波氬離子激光器與氨離子激光器於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 [1]

參考資料 1. 中國天氣網-氣象百科-歷史版本2 :光譜 .中國天氣網 .2010-5-11 [引用日期2013-10-16] .

2. 歷史目錄內容引自《揭開星光的奧秘——天文學探測方法》 .

3. 光譜圖 .各種可見光的波長各是多少 [引用日期2012-09-15] .

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光譜分析

基本資料

中文名:

光譜分析

外文名:

Spectral analysis

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發現者:

牛頓

發現手段:

三稜鏡

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1光譜分析由於每種原子都有自己的特徵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XX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徵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應用例如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 太陽光譜

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徵譜線而被發現的光譜分析對於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徵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

  複色光經過色散系統分光后按波長的大小依次排列的圖案如太陽光經過分光后形成按紅橙黃綠藍靛紫次序連續分佈的彩色光譜有關光譜的結構發生機制性質及其在科學研究生產實踐中的應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的是研究原子結構的重要依據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XX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

  複色光經過色散系統如稜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過三稜鏡后形成按紅橙黃綠藍靛紫次序連續分佈的彩色光譜紅色到紫 色相應于波長由77003900埃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和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XX光譜吸收光譜和散XX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[1]

2原理髮XX光譜分析是根據被測原子或分子在激髮狀態下發XX的特徵光譜的強度計算其含量

吸收光譜是根據待測元素的特徵光譜,通過樣品蒸汽中待測元素的基態原子吸收被測元素的光譜后被減弱的強度計算其含量它符合郎珀-比爾定律:

A= -lg I/I o= -lgT = KCL

式中I為透XX光強度I0為發XX光強度T為透XX比L為光通過原子化器光程由於L是不變值所以A=KC

物理原理為

任何元素的原子都是由原子核和繞核運動的電子組成的原子核外電子按其能量的高低分層分佈而形成不同的能級因此一個原子核可以具有多種能級狀態

能量最低的能級狀態稱為基態能級E0=0其餘能級稱為激發態能級而能最低的激發態則稱為第一激發態正常情況下原子處於基態核外電子在各自能量最低的軌道上運動

如果將一定外界能量如光能提供給該基態原子當外界光能量E恰好等於該基態原子中基態和某一較高能級之間的能級差E時該原子將吸收這一特徵波長的光外層電子由基態躍遷到相應的激發態原來提供能量的光經分光后譜線中缺少了一些特徵光譜線因而產生原子吸收光譜

電子躍遷到較高能級以後處於激發態但激發態電子是不穩定的大約經過10-8秒以後激發態電子將返回基態或其它較低能級並將電子躍遷時所吸收的能量以光的形式釋放出去這個過程稱原子發XX光譜可見原子吸收光譜過程吸收輻XX能量而原子發XX光譜過程則釋放輻XX能量

3分子光譜簡介molecular spectra

分子從一種能態改變到另一種能態時的吸收或發XX光譜可包括從紫外到遠紅外直至微波譜分子光譜與分子繞軸的轉動分子中原子在平衡位置的振動和分子內電子的躍遷相對應

分類分子能級之間躍遷形成的發XX光譜和吸收光譜分子光譜非常豐富可分為純轉動光譜振動 - 轉動光譜帶和電子光譜帶分子的純轉動光譜由分子轉動能級之間的躍遷產生分佈在遠紅外波段通常主要觀測吸收光譜振動 - 轉動光譜帶由不同振動能級上的各轉動能級之間躍遷產生是一些密集的譜線分佈在近紅外波段通常也主要觀測吸收光譜電子光譜帶由不同電子態上不同振動和不同轉動能級之間的躍遷產生可分成許多帶分佈在可見或紫外波段可觀測發XX光譜非極性分子由於不存在電偶極矩沒有轉動光譜和振動-轉動光譜帶只有極性分子才有這類光譜帶[2]

作用分子光譜是提供分子內部信息的主要途徑根據分子光譜可以確定分子的轉動慣量分子的鍵長和鍵強度以及分子離解能等許多性質從而可推測分子的結構

分子的內部運動狀態發生變化所產生的吸收或發XX光譜(從紫外到遠紅外直至微波譜)分子運動包括整個分子的轉動分子中原子在平衡位置的振動以及分子內電子的運動因此分子光譜一般有三種類型轉動光譜振動光譜和電子光譜分子中的電子在不同能級上的躍遷產生電子光譜由於它們處在紫外與可見區又稱為紫外可見光譜電子躍遷常伴隨能量較小的振轉躍遷所以它是帶狀光譜與同一電子能態的不同振動能級躍遷對應的是振動光譜這部分光譜處在紅外區而稱為紅外光譜振動伴隨著轉動能級的躍遷所以這部分光譜也有較多較密的譜線故又稱振轉光譜純粹由分子轉動能級間的躍遷產生的光譜稱為轉動光譜這部分光譜一般位於波長較長的遠紅外區和微波區而稱為遠紅外光譜或微波譜

4光譜圖光色波長λ(nm)區間 [3]代表波長

紅Red780~630--700

橙Orange630~600---620

黃Yellow600~570---580

綠Green570~500---550

青Cyan500~470 光譜圖

---500

藍Blue470~420---470

紫Violet420~380---420

5儀器現代光譜分析儀器有原子發XX光譜儀原子吸收光譜儀(原子吸收分光光度計)紅外光譜儀等

6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XX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於能級本身有一定寬度和多普勒效應等原因原子所輻XX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佈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

  ②帶狀光譜由一系列光譜帶組成它們是由分子所輻XX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XX出來的通常位於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

  ③連續光譜包含一切波長的光譜赤熱固體所輻XX的光譜均為連續光譜同步輻XX源見電磁輻XX可發出從微波到XXX線的連續光譜XXX線管發出的軔致輻XX部分也是連續譜

  ④吸收光譜具有連續譜的光波通過物質樣品時處於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於是在連續譜的背景上出現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徵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

  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光譜網核心介紹光譜學是光學的一個分支學科它主要研究各種物質的光譜的產生及其同物質之間的相互作用光譜是電磁輻XX按照波長的有序排列根據實驗條件的不同各個輻XX波長都具有各自的特徵強度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但是光譜學技術並不僅是一種科學工具在化學分析中它也提供了重要的定性與定量的分析方法[1]

7歷史1802年有一位英國物理學家沃拉斯頓為了驗證光的色散理論重做了牛頓的實驗這一次他在三稜鏡前加上了狹縫使陽光先通過狹縫再經稜鏡分解他發現太陽光不僅被分解為牛頓所觀測到的那種連續光譜而且其中還有一些暗線可惜的是他的報告沒引起人們注意知道的人很少

1814年德國光學家夫琅和費製成了第一台分光鏡它不僅有一個狹縫一塊稜鏡而且在稜鏡前裝上了准直透鏡使來自狹縫的光變成平行光在稜鏡后則裝上了一架小望遠鏡以及精確測量光線偏折角度的裝置夫琅和費點燃了一盞油燈讓燈光通過狹縫XX分光鏡他發現在暗黑的背景上有著一條條象狹縫形狀的明亮的譜線這種光譜就是現在所稱的明線光譜在油燈的光譜中其中有一對靠得很近的黃色譜線相當明顯夫琅和費拿掉油燈換上酒精燈同樣出現了這對黃線他又把酒精燈拿掉換上蠟燭這對黃線依然存在而且還在老位置上

夫琅和費想燈光和燭光太暗了太陽光很強如果把太陽光引進來觀測那是很有意思的於是他用了一面鏡子把太陽光反XX進狹縫他發現太陽的光譜和燈光的光譜截然不同那裡不是一條條的明線光譜而是在紅橙黃綠青藍紫的連續彩帶上有無數條喑線在1814到1817這幾年中夫琅和費共在太陽光譜中數出了五百多條暗線其中有的較濃較黑有的則較為暗淡夫琅和費一一記錄了這些譜線的位置並從紅到紫依次用ABCD……等字母來命名那些最醒目的暗線夫琅和費還發現在燈光和燭光中出現一對黃色明線的位置上在太陽光譜中則恰恰出現了一對醒目的暗線夫琅和費把這對黃線稱為D線

為什麼油燈油精燈和臘燭的光是明線光譜而太陽光譜卻是在連續光譜的背景上有無數條暗線?為什麼前者的光譜中有一對黃色明線而後者正巧在同一位置有一對暗線這些問題夫琅和費無法作出解答直到四十多年後才由基爾霍夫解開了這個謎

1858年秋到1859年夏德國化學家本生埋頭在他的實驗室里進行著一項有趣的實驗他發明了一種煤氣燈(稱本生燈)這種煤氣燈的火焰幾乎沒有顏色而且其溫度可高達二千多度他把含有鈉鉀鋰鍶鋇等不同元素的物質放在火焰上燃燒火焰立即產生了各種不同的顏色本生心裡真高興他想也許從此以後他可以根據火焰的顏色來判別不同的元素了可是當他把幾種元素按不同比例混合再放在火焰上燒時含量較多元素的顏色十分醒目含量較少元素的顏色卻不見了看來光憑顏色還無法作為判別的依據

本生有一位好朋友是物理學家叫基爾霍夫他們倆經常在一起散步討論科學問題有一天本生把他在火焰實驗中所遇到的困難講給基爾霍夫聽這位物理學家對夫琅和費關於太陽光譜的實驗了解得很清楚甚至在他的實驗室里還保存有夫琅和費親手磨製的石英三稜鏡基爾霍夫聽了本生的問題想起了夫琅和費的實驗於是他向本生提出了一個很好的建議不要觀察燃燒物的火焰顏色而應該觀察它的光譜他們倆越談越XX最後決定合作來進行一項實驗

基爾霍夫在他的實驗室中用狹縫小望遠鏡和那個由夫琅和費磨成的石英三稜鏡裝配成一台分光鏡井把它帶到了本生的實驗室本生把含有鈉鉀鋰鍶鋇等不同元素的物質放在本生燈上燃燒基爾霍夫則用分光鏡對準火焰觀測其光譜他們發現不同物質燃燒時產生各不相同的明線光譜接著他們又把幾種物質的混合物放在火焰上燃燒他們發現這些不同物質的光譜線依然在光譜中同時呈現彼此並不互相影響於是根據不同元素的光譜特徵仍能判別出混合物中有那些物質這種情況就象許多人合影在同一張照片上每個人是誰依然可以分得一清二楚一樣就這樣基爾霍夫和本生找到了一種根據光譜來判別化學元素的方法光譜分析術

8光譜研究的內容根據研究光譜方法的不同習慣上把光譜學區分為發XX光譜學吸收光譜學與散XX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 光譜波長分佈圖

發XX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於原子帶狀光譜主要產生於分子連續光譜則主要產生於白熾的固體或氣體放電

  現在觀測到的原子發XX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XX出來於是產生了原子的發XX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XX光譜中研究的主要內容是二原子分子的發XX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XX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XX光譜廣泛地應用於化學分析中

  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XX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麼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於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應用包括對化合物的鑒定化學過程的控制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徵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應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XX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XX和光的吸收外還觀測到光的散XX在散XX光中除了包括原來的入XX光的頻率外(瑞利散XX和廷德耳散XX)還包括一些新的頻率這種產生新頻率的散XX稱為喇曼散XX其光譜稱為喇曼光譜

  喇曼散XX的強度是極小的大約為瑞利散XX的千分之一喇曼頻率及強度偏振等標志著散XX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應用的原因

  由於喇曼散XX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XX某些液體時在液體的散XX光中觀測到了頻率低於入XX光頻率的新譜線在喇曼等人宣布了他們的發現的幾個月后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

  喇曼效應起源於分子振動(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XX強度是十分微弱的在激光器出現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展以後利用激光器作為激發光源喇曼光譜學技術發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波氬離子激光器與氨離子激光器於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 [1]