光譜�(xué)知識(shí)詳細(xì)介紹
光譜�(xué)是光�(xué)的一�(gè)分支�(xué)�，它主要研究各種物質(zhì)的光譜的�(chǎn)生及其同物質(zhì)之間的相互作�。光譜是電磁輻射按照波長(zhǎng)的有序排�，根�(jù)�(shí)�(yàn)條件的不�，各�(gè)輻射波長(zhǎng)都具有各自的特征�(qiáng)度�
通過(guò)光譜的研�，人們可以得到原子、分子等的能�(jí)�(jié)�(gòu)、能�(jí)壽命、電子的組態(tài)、分子的幾何形狀、化�(xué)鍵的性質(zhì)、反�(yīng)�(dòng)力學(xué)等多方面物質(zhì)�(jié)�(gòu)的知�(shí)。但是，光譜�(xué)技�(shù)并不僅是一種科�(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��
光譜�(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)�
光譜�(xué)的研究已有一百多年的歷史��1666�，牛頓把通過(guò)玻璃棱鏡的太�(yáng)光分解成了從紅光到紫光的各種顏色的光�，他�(fā)�(xiàn)白光是由各種顏色的光組成�。這是可算是最早對(duì)光譜的研��
其后一直到1802�，渥拉斯頓觀察到了光譜線，其后在1814年夫瑯和�(fèi)也獨(dú)立地�(fā)�(xiàn)�。牛頓之所以沒(méi)有能觀察到光譜�，是�?yàn)樗固?yáng)光通過(guò)了圓孔而不是通過(guò)狹縫。在1814�1815年之�，夫瑯和�(fèi)公布了太�(yáng)光譜中的許多條暗線，并以字母�(lái)命名，其中有些命名沿用至�。此后便把這些線稱為夫瑯和�(fèi)暗線�
�(shí)用光譜學(xué)是由基爾霍夫與本生在19世紀(jì)60年代�(fā)展起�(lái)�;他們證明光譜學(xué)可以用作定性化�(xué)分析的新方法，并利用這種方法�(fā)�(xiàn)了幾種當(dāng)�(shí)還未知的元素，并且證明了太陽(yáng)里也存在著多種已知的元素�
�19世紀(jì)中葉起，氫原子光譜一直是光譜�(xué)研究的重要課題之一。在試圖�(shuō)明氫原子光譜的過(guò)程中，所得到的各�(xiàng)成就�(duì)量子力學(xué)法則的建立起了很大促�(jìn)作用。這些法則不僅能夠�(yīng)用于氫原�，也能應(yīng)用于其他原子、分子和凝聚�(tài)物質(zhì)�
氫原子光譜中最�(qiáng)的一條譜線是1853年由瑞典物理�(xué)家埃斯特朗探�(cè)出來(lái)�。此后的20�，在星體的光譜中觀�(cè)到了更多的氫原子譜線�1885�，從事天文測(cè)量的瑞士科學(xué)家巴耳末找到一�(gè)�(jīng)�(yàn)公式�(lái)�(shuō)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�。繼巴耳末的成就之��1889�，瑞典光譜學(xué)家里德伯�(fā)�(xiàn)了許多元素的線狀光譜�，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�(gè)�(jiǎn)單的公式�
盡管氫原子光譜線的波�(zhǎng)的表示式十分�(jiǎn)�，不�(guò)�(dāng)�(shí)�(duì)其起因卻茫然不知。一直到1913�，玻爾才�(duì)它作出了明確的解�。但玻爾理論并不能解釋所觀�(cè)到的原子光譜的各種特征，即使�(duì)于氫原子光譜的�(jìn)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�20世紀(jì)�(fā)展起�(lái)的量子力�(xué)。電子不僅具有軌道角�(dòng)�，而且還具有自旋角�(dòng)�。這兩種角�(dòng)量的�(jié)合便成功地解釋了光譜線的分裂�(xiàn)象�
電子自旋的概念首先是�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(cè)量結(jié)�。在狄喇克的相對(duì)論性量子力�(xué)�，電子自�(包括�(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�，塞曼把光源放在磁場(chǎng)中來(lái)觀察磁�(chǎng)�(duì)光三重線，發(fā)�(xiàn)這些譜線都是偏振�?，F(xiàn)在把這種�(xiàn)象稱為塞曼效�(yīng)。次�，洛倫茲�(duì)于這�(gè)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�(fù)雜光譜的分類�，塞曼效�(yīng)是一種很有用的方法，它有效地幫助了人們對(duì)于復(fù)雜光譜的理解�
光譜�(xué)的內(nèi)�
根據(jù)研究光譜方法的不�，習(xí)慣上把光譜學(xué)區(qū)分為�(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�(jié)�(gòu)知識(shí)及不同的化學(xué)分析方法�
�(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�(chǎn)生于原子，帶狀光譜主要�(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�
�(xiàn)在觀�(cè)到的原子�(fā)射的光譜線已有百�(wàn)條了。每種原子都有其�(dú)特的光譜，猶如人的指紋一樣是各不相同�。根�(jù)光譜�(xué)的理論，每種原子都有其自身的一系列分立的能�(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�，這�(gè)能態(tài)稱為基態(tài)，相�(yīng)的能�(jí)稱為基能�(jí)。當(dāng)原子以某種方法從基態(tài)被提升到較高的能�(tài)上時(shí)，原子的�(nèi)部能量增加了，原子就�(huì)把這種多余的能量以光的形式�(fā)射出�(lái)，于是產(chǎn)生了原子的發(fā)射光�，反之就�(chǎn)生吸收光�。這種原子能態(tài)的變化不是連續(xù)�，而是量子性的，我們稱之為原子能級(jí)之間的躍��
在分子的�(fā)射光譜中，研究的主要�(nèi)容是二原子分子的�(fā)射光�。在分子中，電子�(tài)的能量比振動(dòng)�(tài)的能量大50�100�，而振�(dòng)�(tài)的能量比�(zhuǎn)�(dòng)�(tài)的能量大 50�100�。因此在分子的電子態(tài)之間的躍遷中，總是伴隨著振動(dòng)躍遷和轉(zhuǎn)�(dòng)躍遷�，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�(jí)�(jié)�(gòu)的知�(shí)，包括有�(guān)重要常數(shù)的測(cè)�。并且原子發(fā)射光譜廣泛地�(yīng)用于化學(xué)分析��
�(dāng)一束具有連續(xù)波長(zhǎng)的光通過(guò)一種物�(zhì)�(shí)，光束中的某些成分便�(huì)有所減弱，當(dāng)�(jīng)�(guò)物質(zhì)而被吸收的光束由光譜儀展成光譜�(shí)，就得到該物�(zhì)的吸收光譜。幾乎所有物�(zhì)都有其獨(dú)特的吸收光譜。原子的吸收光譜所給出的有�(guān)能級(jí)�(jié)�(gòu)的知�(shí)同發(fā)射光譜所給出的是互為�(bǔ)充的�
一般來(lái)�(shuō)，吸收光譜學(xué)所研究的是物質(zhì)吸收了那些波�(zhǎng)的光，吸收的程度如何，為什么會(huì)有吸收等�(wèn)�。研究的�(duì)象基本上為分��
吸收光譜的光譜范圍是很廣闊的，大約從10納米�1000微米。在200納米�800納米的光譜范圍內(nèi)，可以觀�(cè)到固體、液體和溶液的吸�，這些吸收有的是連續(xù)�，稱為一般吸收光�;有的顯示出一�(gè)或多�(gè)吸收�，稱為選擇吸收光�。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�(jī)化學(xué)中有廣泛的應(yīng)�，包括對(duì)化合物的鑒定、化�(xué)�(guò)程的控制、分子結(jié)�(gòu)的確�、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�(dòng)光譜與轉(zhuǎn)�(dòng)光譜�，其中分子振�(dòng)光譜一直是主要的研究課題�
分子振動(dòng)光譜的研究表�，許多振�(dòng)頻率基本上是分子�(nèi)部的某些很小的原子團(tuán)的振�(dòng)頻率，并且這些頻率就是這些原子�(tuán)的特�，而不管分子的其余的成分如何。這很像可�(jiàn)光區(qū)域色基的吸收光譜，這一事實(shí)在分子紅外吸收光譜的�(yīng)用中是很重要�。多年來(lái)都用�(lái)研究多原子分子結(jié)�(gòu)、分子的定量及定性分析等�
在散射光譜學(xué)中，喇曼光譜�(xué)是最為普遍的光譜�(xué)技�(shù)。當(dāng)光通過(guò)物質(zhì)�(shí)，除了光的透射和光的吸收外，還觀�(cè)到光的散�。在散射光中除了包括原來(lái)的入射光的頻率外(瑞利散射和廷德耳散�)，還包括一些新的頻�。這種�(chǎn)生新頻率的散射稱為喇曼散�，其光譜稱為喇曼光譜�
喇曼散射的強(qiáng)度是極小的，大約為瑞利散射的千分之一。喇曼頻率及�(qiáng)度、偏振等�(biāo)志著散射物質(zhì)的性質(zhì)。從這些資料可以�(dǎo)出物�(zhì)�(jié)�(gòu)及物�(zhì)組成成分的知�(shí)。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�，所以一直到1928年才被印度物理學(xué)家喇曼等所�(fā)�(xiàn)。他�?cè)谟霉療舻膯紊鈦?lái)照射某些液體�(shí)，在液體的散射光中觀�(cè)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�(fā)�(xiàn)的幾�(gè)月后，蘇�(lián)物理�(xué)家蘭茨見(jiàn)格等也獨(dú)立地�(bào)道了晶體中的這種效應(yīng)的存��
喇曼效應(yīng)起源于分子振�(dòng)(和點(diǎn)陣振�(dòng))與轉(zhuǎn)�(dòng)，因此從喇曼光譜中可以得到分子振�(dòng)能級(jí)(�(diǎn)陣振�(dòng)能級(jí))與轉(zhuǎn)�(dòng)能級(jí)�(jié)�(gòu)的知�(shí)�
喇曼散射�(qiáng)度是十分微弱�，在激光器出現(xiàn)之前，為了得到一幅完善的光譜，往往很費(fèi)�(shí)�。自從激光器得到�(fā)展以后，利用激光器作為激�(fā)光源，喇曼光譜學(xué)技�(shù)�(fā)生了很大的變�。激光器輸出的激光具有很好的單色�、方向�，且�(qiáng)度很�，因而它們成為獲得喇曼光譜的近乎理想的光�，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�?；钴S了，其研究范圍也有了很大的擴(kuò)�。除�(kuò)大了所研究的物�(zhì)的品種以�，在研究燃燒�(guò)程、探�(cè)�(huán)境污�、分析各種材料等方面喇曼光譜技�(shù)也已成為很有用的工具�