光譜

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光譜spectrum 光譜是複色光經過色散系統如稜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XX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

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目 錄1基本介紹

2種類

2.1 線狀

2.2 帶狀

2.3 連續

2.4 原子

2.5 吸收

3發展簡史

4研究內容

5常用名詞

6相關

6.1 分光鏡

6.2 元素

6.3 分析

1基本介紹光譜是複色光經過色散系統如稜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XX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XX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[1]

2種類發XX光譜物體發光直接產生的光譜叫做發XX光譜發XX光譜有兩種類型連續光譜和明線光譜

連續分佈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高壓氣體的發XX光譜是連續光譜例如電燈絲髮出的光熾熱的鋼水發出的光都形成連續光譜

只含有一些不連續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XX光譜是明線光譜明線光譜是由遊離狀態的原子發XX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裡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生輝光放電產生一定顏色的光

吸收光譜高溫物體發出的白光其中包含連續分佈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生的光譜叫做吸收光譜各種原子的吸收光譜中的每一條暗線都跟該種原子的發XX光譜中的一條明線相對應這表明低溫氣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徵譜線只是通常在吸收光譜中看到的特徵譜線比明線光譜中的少[1]

線狀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

帶狀由一系列光譜帶組成它們是由分子所輻XX 光譜

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

連續連續分佈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XX光譜是連續光譜例如電燈絲髮出的光熾熱的鋼水發出的光都形成連續光譜

只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XX光譜是明線光譜明線光譜是由遊離狀態的原子發XX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裡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生輝光放電產生一定顏色的光

原子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或電弧中去燒使它們氣化后發光

實驗證明原子不同發XX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出具有本身特徵的某些波長的光因此明線光譜的譜線叫做原子的特徵譜線利用原子的特徵譜線可以鑒別物質和研究原子的結構

吸收高溫物體發出的白光其中包含連續分佈的一切波長的光通過物質時某些波長的光被物質吸收

光譜分析(15張)

后產生的光譜(或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)叫做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XX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徵譜線只是通常在吸收光譜中看到的特徵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

3發展簡史人們對光譜的研究已有一百多年的歷史了1666年牛頓把通過玻璃稜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[2]

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里也存在著多種已知的元素 元素光譜線

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法則的建立起了很大促進作用這些法則不僅能夠應用於氫原子也能應用於其他原子分子和凝聚態物質

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年瑞典光譜學家裡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

儘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徵即使對於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拉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這種現象稱為塞曼效應次年洛倫茲對於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應用中也是重要的在複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於複雜光譜的理解

4研究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[3]

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

拉曼散XX的強度是極小的大約為瑞利散XX的千分之一拉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拉曼光譜具有廣泛應用的原因

由於拉曼散XX非常弱所以一直到1928年才被印度物理學家拉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光頻率的新譜線在拉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

拉曼效應起源於分子振動(和點陣振動)與轉動因此從拉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

拉曼散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拉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拉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拉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拉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

5常用名詞1.生色團是指在一個分子中產生所示吸收帶的主要官能團這裡的吸收帶往往處在一般儀器的測量範圍內即波長大於210nm生色團不為飽和基團生色團吸收帶的位置受相鄰取代基或溶劑的影響使躍遷的兩個能級距離減少或XX吸收峰向長波或短波移動

2.向長波移動亦稱向紅移

3.向短波移動亦稱向藍移

4.助色團是指本身在紫外區和可見區不顯示吸收的原子或基團當連接一個生色團后則使生色團的吸收帶向紅移並使吸收度增加

5.使吸收帶的吸收強度增加的效應稱為增色效應反之成為減色效應

6.末端吸收是指吸收曲線隨著波長變短而強度增強直至儀器測量的極限而不顯示峰形這種現象是由於吸收帶發生在更短的波長所致極限處吸收稱末端吸收

7.曲折或肩是指當吸收曲線在下降或上升處有停頓或吸收稍有增加的表示這種現象常是由主峰內藏有其他的吸收峰所造成[4]

6相關分光鏡觀察光譜要用分光鏡這裡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 分光鏡

平行光管A三稜鏡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它位於透鏡L1的焦平面①處從狹縫XX入的光線經透鏡L1折XX后變成平行光線XX到三稜鏡P上不同顏色的光經過三稜鏡沿不同的折XX方向XX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那裡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

元素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

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 模擬的自然光光譜圖

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

可見光光譜

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

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參考資料 1. 光譜 .A+醫學 [引用日期2013-02-26] .

2. 光譜學的發展 .

3. 光譜學研究內容 .

4. 光譜中常用的一些名詞 .中國UV燈網 [引用日期2012-10-25] .

相關文獻一種雙正則項全變差高光譜圖像去噪演算法-光譜學與光譜分析-2011年 第1期 (31)

近紅外光譜烷烴類氣體定量分析系統的研究-光譜學與光譜分析-2011年 第1期 (31)

Si—Al—Zr—O系非晶原位晶化過程中的拉曼光譜和紅外光譜研究-光譜學與光譜分析-2011年 第1期 (31)

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1基本介紹光譜是複色光經過色散系統如稜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XX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XX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[1]

2種類發XX光譜物體發光直接產生的光譜叫做發XX光譜發XX光譜有兩種類型連續光譜和明線光譜

連續分佈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XX光譜是連續光譜例如電燈絲髮出的光熾熱的鋼水發出的光都形成連續光譜

只含有一些不連續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XX光譜是明線光譜明線光譜是由遊離狀態的原子發XX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裡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生輝光放電產生一定顏色的光

吸收光譜高溫物體發出的白光其中包含連續分佈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生的光譜叫做吸收光譜各種原子的吸收光譜中的每一條暗線都跟該種原子的發XX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徵譜線只是通常在吸收光譜中看到的特徵譜線比明線光譜中的少[1]

線狀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

帶狀由一系列光譜帶組成它們是由分子所輻XX 光譜

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

連續連續分佈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XX光譜是連續光譜例如電燈絲髮出的光熾熱的鋼水發出的光都形成連續光譜

只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XX光譜是明線光譜明線光譜是由遊離狀態的原子發XX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裡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生輝光放電產生一定顏色的光

原子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或電弧中去燒使它們氣化后發光

實驗證明原子不同發XX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出具有本身特徵的某些波長的光因此明線光譜的譜線叫做原子的特徵譜線利用原子的特徵譜線可以鑒別物質和研究原子的結構

吸收高溫物體發出的白光其中包含連續分佈的一切波長的光通過物質時某些波長的光被物質吸收

光譜分析(15張)

后產生的光譜(或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)叫做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XX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徵譜線只是通常在吸收光譜中看到的特徵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

3發展簡史人們對光譜的研究已有一百多年的歷史了1666年牛頓把通過玻璃稜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[2]

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里也存在著多種已知的元素 元素光譜線

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法則的建立起了很大促進作用這些法則不僅能夠應用於氫原子也能應用於其他原子分子和凝聚態物質

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年瑞典光譜學家裡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

儘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徵即使對於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拉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這種現象稱為塞曼效應次年洛倫茲對於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應用中也是重要的在複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於複雜光譜的理解

4研究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[3]

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

拉曼散XX的強度是極小的大約為瑞利散XX的千分之一拉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拉曼光譜具有廣泛應用的原因

由於拉曼散XX非常弱所以一直到1928年才被印度物理學家拉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光頻率的新譜線在拉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

拉曼效應起源於分子振動(和點陣振動)與轉動因此從拉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

拉曼散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拉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拉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拉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拉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

5常用名詞1.生色團是指在一個分子中產生所示吸收帶的主要官能團這裡的吸收帶往往處在一般儀器的測量範圍內即波長大於210nm生色團不為飽和基團生色團吸收帶的位置受相鄰取代基或溶劑的影響使躍遷的兩個能級距離減少或XX吸收峰向長波或短波移動

2.向長波移動亦稱向紅移

3.向短波移動亦稱向藍移

4.助色團是指本身在紫外區和可見區不顯示吸收的原子或基團當連接一個生色團后則使生色團的吸收帶向紅移並使吸收度增加

5.使吸收帶的吸收強度增加的效應稱為增色效應反之成為減色效應

6.末端吸收是指吸收曲線隨著波長變短而強度增強直至儀器測量的極限而不顯示峰形這種現象是由於吸收帶發生在更短的波長所致極限處吸收稱末端吸收

7.曲折或肩是指當吸收曲線在下降或上升處有停頓或吸收稍有增加的表示這種現象常是由主峰內藏有其他的吸收峰所造成[4]

6相關分光鏡觀察光譜要用分光鏡這裡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 分光鏡

平行光管A三稜鏡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它位於透鏡L1的焦平面①處從狹縫XX入的光線經透鏡L1折XX后變成平行光線XX到三稜鏡P上不同顏色的光經過三稜鏡沿不同的折XX方向XX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那裡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

元素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

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 模擬的自然光光譜圖案

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

可見光光譜

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


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