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【小麓讲堂】光谱学系列(一):光谱简介
发布时间:2022-01-07 00:00:00 编辑:麓帮主 阅读次数:434
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光谱与光谱学概念
光谱是复色光经过色散系统(如棱镜、光栅分光后,被色散开的单色光按波长或频率大小而依次排列的图案,全称为光学频谱。如图1为可见光光谱图。
光波是由原子内部运动的电子产生的电磁辐射,各种物质的原子内部电子的运动情况不同,所以它们发射的光波也不同,光谱学就是研究不同物质的发光和吸收光的情况。
  图1. 可见光光谱图。
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。但是,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。
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光谱学的发展
1. 人类观察到的第一种光谱就是彩虹,自然界中另一个引人注目的光谱现象是极光;
2. 牛顿对可见光谱作了著名的色散实验,这是人类最早对光谱的研究。牛顿的色散实验看到的是一条彩色光带,并未观察到光谱谱线;
3. 沃拉斯顿采用窄的狭缝,发现了太阳光谱中的7条暗线,这是光谱学的一个重大的进展;
4. 夫琅和费发现太阳光谱中的许多暗线,他是第一位用衍射光栅测量波长的科学家,被誉为光谱学的创始人;
5. 光谱分析方法(实用光谱学)的确定是由基尔霍夫发展起来的,他系统地研究了多种火焰光谱和火花光谱,并指出,每一种元素的光谱都是独特的,并且只需极少里的样品便可得到,这样,他们就牢固地建立起光谱化学分析技术。
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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。

3.1  吸收光谱  

吸收光谱是指物质吸收光子,从低能级跃迁到高能级而产生的光谱,如图2a所示。吸收光谱可以是线状谱或吸收带。研究吸收光谱可了解原子、分子和其他许多物质的结构和运动状态,以及它们同电磁场或粒子相互作用的情况。吸收光谱是材料在某一些频率上对电磁辐射的吸收所呈现的比率,与发射光谱相对。图3为一典型的红外吸收光谱。
吸收光谱分为:原子吸收光谱、分子吸收光谱。

太阳光谱是一种吸收光谱,是因为太阳光穿过温度比太阳本身低的太阳大气层(许多元素的气体),光都被这些气体吸收掉了。因此我们看到的太阳光谱是在连续光谱的背景上分布着许多条暗线。各种原子的吸收光谱中的每一条暗线都跟该种原子的发射光谱中的一条明线相对应,这表明,低温气体原子吸收的光,恰好就是这种原子在高温时发出的光。

图2a.吸收光谱跃迁示意图。

图2b.发射光谱跃迁示意图。

 

图3. 红外吸收光谱。

3.2 发射光谱

 

物体发光直接产生的光谱叫做发射光谱。它是处于高能级的原子或分子在向较低能级跃迁时产生辐射,将多余的能量发射出去形成的光谱,如图4所示为在532 nm处的发射光谱图。
发射光谱可以区分为三种不同类别的光谱:线状光谱、带状光谱和连续光谱。线状光谱主要产生于原子,带状光谱主要产生于分子,连续光谱则主要产生于白炽的固体或气体放电。
图4. 发射光谱。
现代观测到的原子发射的光谱线已有百万条了。每种原子都有其独特的光谱,犹如人的指纹一样是各不相同的。根据光谱学的理论,每种原子都有其自身的一系列分立的能态,每一能态都有一定的能量。可以根据其光谱对原子进行定性与定量分析。

3.3  散射光谱

散射光谱又叫拉曼散射光谱,如图5所示,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。

图5. 拉曼散射原理图。
在拉曼散射中,拉曼谱线起源于散射物质分子的振动和转动,反映了分子的内部结构和运动,通过拉曼光谱可对化合物进行定性和定量分析、测定分子的振动和转动频率及有关常数、了解分子内部或分子间的作用力、推断分子结构的对称性和几何形状等。拉曼光谱的应用范围遍及物理学、化学、生物学的许多领域。
下一期我们讲:光谱仪与光谱分析,敬请期待!
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