光谱知识 | 光谱和光谱学

2023-10-31 12:45:29 北京爱蛙科技有限公司

光是我们唯一可以看见的能量，我们以颜色的形式看到它。色彩，是我们所感知到的最华丽的体验。它无处不在，围绕着我们，拥抱着我们。我们用颜色来诠释生命，就像我们用形状、纹理和声音诠释生命一样。事实上，颜色的力量就是生命的本质。

一、光谱

光谱，就是光学频谱的简称，是复色光通过色散系统（如光栅、棱镜）进行分光后，依照光的波长（或频率）的大小顺次排列形成的图案。光谱中的一部分可见光谱是电磁波谱中人眼可见的唯一部分，在这个波长范围内的电磁辐射被称作可见光。

图1：光谱

复色光中有着各种波长（或频率）的光，这些光在介质中有着不同的折射率。因此，当复色光通过具有一定几何外形的介质（如三棱镜）之后，波长不同的光线会因出射角的不同而发生色散现象，投映出连续的或不连续的彩色光带。著名的太阳光的色散实验(1666-牛顿)就是一个典型的现象。太阳光呈现白色，当它通过三棱镜折射后，将形成由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫顺次连续分布的彩色光谱，覆盖了大约在390到770纳米的可见光区。

图2：光的色散

通过光谱的研究，人们可以得到原子、分子的能级结构、能级寿命、电子的组态、分子的几何形状、化学键的性质、反应动力学等多方面物质结构的知识。

二、光谱学

光谱学(Spectroscopy)是光学的一个分支学科，它主要研究各种物质的光谱的产生及其同物质之间的相互作用。在化学中，光谱学被用来寻找新元素。时至今日，红外光谱法仍在化学分析中被广泛使用。在天文学中，光谱学使我们能够弄清楚太阳和恒星的组成元素，它是天文学家工具箱中功能最强的工具。物理学是光谱学产出成果最多的领域，光谱学直接导致了量子力学的发展。光谱学技术并不仅是一种科学工具，在化学分析中它也提供了重要的定性与定量的分析方法。在光的作用下，你并不是直接看到了分子（即它的内部实质）而是它的“灵魂”。你观察的是光与不同自由度的分子之间的作用。每种类型的光谱（不同的光频率）给出不同的图像。

三、光谱分类

按照光与物质的作用形式，光谱一般可分为吸收光谱、发射光谱和散射光谱等。

图3：光谱分类

吸收光谱

吸收光谱指的是通过使电磁辐射穿过物质而获得的光谱，特征是它在光谱上显示暗线。当物质暴露于电磁辐射源时，如果光子的能量与两个能级之间的能量相同，则能量被较低能级的电子吸收，导致某特定电子的能量增加。如图4a所示。那么该电子的能量很高(意思是它就准备进行跳跃)，但是，如果光子的能量不等于两个能级之间的能量差，则光子将不会被吸收。图5为一典型的红外吸收光谱。

图4a：吸收光谱跃迁

图4b：发射光谱跃迁

图5：红外吸收光谱

发射光谱

发射光谱指的是物质发射的电磁辐射形成的光谱。当原子从激发态变为稳定态时，它会发出电磁辐射(等于释放能量)以进入较低的能量状态，如图4b所示，能量以光子的形式释放。光子的这种集合在一起使一个光谱称为发射光谱。如图6所示为在532 nm处的发射光谱图。

图6：发射光谱

散射光谱

当光照射到物质上时，会发生非弹性散射，在散射光中除有与激发光波长相同的弹性成分（瑞利散射）外，还有比激发光波长长的和短的成分，后一现象统称为拉曼效应。这种现象于1928年由印度科学家拉曼所发现，因此这种产生新波长的光的散射被称为拉曼散射，所产生的光谱被称为拉曼光谱或拉曼散射光谱。拉曼光谱的应用范围遍及物理学、化学、生物学等许多领域。