光譜技術(shù)的簡(jiǎn)介、應(yīng)用與發(fā)展
光波是由原子內(nèi)部中運(yùn)動(dòng)的電子產(chǎn)生的。由于每種物質(zhì)的原子內(nèi)部電子的運(yùn)動(dòng)情況都不同,所以它們發(fā)射的光波也不同。研究不同物質(zhì)的發(fā)光以及吸收光的情況,有很重要的理論和實(shí)際意義,現(xiàn)在已成為一門專業(yè)的學(xué)科——光譜學(xué)。
發(fā)射光譜物體發(fā)光直接產(chǎn)生的光譜叫做發(fā)射光譜。發(fā)射光譜有兩種類型,連續(xù)光譜和明線光譜。
連續(xù)分布的包含有從紅光到紫光各種色光的光譜叫做連續(xù)光譜。熾熱的固體、液體和高壓氣體的發(fā)射光譜是連續(xù)光譜。例如電燈絲發(fā)出的光、熾熱的鋼水發(fā)出的光都形成連續(xù)光譜。
只含有一些不連續(xù)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(duì)應(yīng)于不同波長(zhǎng)的光。稀薄氣體或金屬的蒸氣的發(fā)射光譜是明線光譜。明線光譜是由游離狀態(tài)的原子發(fā)射的,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(xì)的封閉的玻璃管,里面裝有低壓氣體,管的兩端有兩個(gè)電極。把兩個(gè)電極接到高壓電源上,管里稀薄氣體發(fā)生輝光放電,產(chǎn)生一定顏色的光。
觀察固態(tài)或液態(tài)物質(zhì)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(fā)光,就可以從分光鏡中看到它們的明線光譜。
實(shí)驗(yàn)證明,原子不同,發(fā)射的明線光譜也不同,每種元素的原子都有一定的明線光譜。每種原子只能發(fā)出具有本身特征的某些波長(zhǎng)的光,因此,明線光譜的譜線叫做原子的特征譜線。利用原子的特征譜線可以鑒別物質(zhì)和研究原子的結(jié)構(gòu)。
吸收光譜高溫物體發(fā)出的白光(其中包含連續(xù)分布的一切波長(zhǎng)的光)通過物質(zhì)時(shí),某些波長(zhǎng)的光被物質(zhì)吸收后產(chǎn)生的光譜,叫做吸收光譜。例如,讓弧光燈發(fā)出的白光通過溫度較低的鈉氣(在酒精燈的燈心上放一些食鹽,食鹽受熱分解就會(huì)產(chǎn)生鈉氣),然后用分光鏡來觀察,就會(huì)看到在連續(xù)光譜的背景中有兩條挨得很近的暗線,這就是鈉原子的吸收光譜。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(fā)射光譜中的一條明線相對(duì)應(yīng).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(shí)發(fā)出的光。因此,吸收光譜中的譜線(暗線),也是原子的特征譜線,只是通常在吸收光譜中看到的特征譜線比明線光譜中的少。
光譜分析由于每種原子都有自己的特征譜線,因此可以根據(jù)光譜來鑒別物質(zhì)和確定它的化學(xué)組成,這種方法叫做光譜分析。做光譜分析時(shí),可以利用發(fā)射光譜,也可以利用吸收光譜。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是非常靈敏而且迅速。某種元素在物質(zhì)中的含量達(dá)10-10克,就可以從光譜中發(fā)現(xiàn)它的特征譜線,因而能夠把它檢查出來。
光譜分析在科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用
?、?在檢查半導(dǎo)體材料硅和鍺是不是達(dá)到了高純度的要求時(shí),就要用到光譜分析;
?、?在歷史上,光譜分析還幫助人們發(fā)現(xiàn)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征譜線而被發(fā)現(xiàn)的;
?、酃庾V分析對(duì)于研究天體的化學(xué)組成也很有用。十九世紀(jì)初,在研究太陽光譜時(shí),發(fā)現(xiàn)它的連續(xù)光譜中有許多暗線。最初不知道這些暗線是怎樣形成的,后來人們了解了吸收光譜的成因,才知道這是太陽內(nèi)部發(fā)出的強(qiáng)光經(jīng)過溫度比較低的太陽大氣層時(shí)產(chǎn)生的吸收光譜。仔細(xì)分析這些暗線,把它跟各種原子的特征譜線對(duì)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。
復(fù)色光經(jīng)過色散系統(tǒng)分光后按波長(zhǎng)的大小依次排列的圖案,如太陽光經(jīng)過分光后形成按紅橙黃綠藍(lán)靛紫次序連續(xù)分布的彩色光譜。有關(guān)光譜的結(jié)構(gòu),發(fā)生機(jī)制,性質(zhì)及其在科學(xué)研究、生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用已經(jīng)累積了很豐富的知識(shí)并且構(gòu)成了一門很重要的學(xué)科~光譜學(xué)。光譜學(xué)的應(yīng)用非常廣泛,每種原子都有其獨(dú)特的光譜,猶如人們的“指紋”一樣各不相同。它們按一定規(guī)律形成若干光譜線系。原子光譜線系的性質(zhì)與原子結(jié)構(gòu)是緊密相聯(lián)的,是研究原子結(jié)構(gòu)的重要依據(jù)。應(yīng)用光譜學(xué)的原理和實(shí)驗(yàn)方法可以進(jìn)行光譜分析,每一種元素都有它特有的標(biāo)識(shí)譜線,把某種物質(zhì)所生成的明線光譜和已知元素的標(biāo)識(shí)譜線進(jìn)行比較就可以知道這些物質(zhì)是由哪些元素組成的,用光譜不僅能定性分析物質(zhì)的化學(xué)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(zhǔn)確度。在地質(zhì)勘探中利用光譜分析就可以檢驗(yàn)礦石里所含微量的貴重金屬、稀有元素或放射性元素等。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(xué)成分以及校定長(zhǎng)度的標(biāo)準(zhǔn)原器等。
復(fù)色光經(jīng)過色散系統(tǒng)(如棱鏡、光柵)分光后,按波長(zhǎng)(或頻率)的大小依次排列的圖案。例如,太陽光經(jīng)過三棱鏡后形成按紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫次序連續(xù)分布的彩色光譜。紅色到紫色,相應(yīng)于波長(zhǎng)由7700-3900埃的區(qū)域,是為人眼所能感覺的可見部分。紅端之外為波長(zhǎng)更長(zhǎng)的紅外光,紫端之外則為波長(zhǎng)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(zhǎng)區(qū)域不同,光譜可分為紅外光譜、可見光譜和紫外光譜;按產(chǎn)生的本質(zhì)不同,可分為原子光譜、分子光譜;按產(chǎn)生的方式不同,可分為發(fā)射光譜、吸收光譜和散射光譜;按光譜表觀形態(tài)不同,可分為線光譜、帶光譜和連續(xù)光譜。
光譜分如下幾種形式
?、?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(fā)的光波均有線狀光譜,故線狀光譜又稱原子光譜。當(dāng)原子能量從較高能級(jí)向較低能級(jí)躍遷時(shí),就輻射出波長(zhǎng)單一的光波。嚴(yán)格說來這種波長(zhǎng)單一的單色光是不存在的,由于能級(jí)本身有一定寬度和多普勒效應(yīng)等原因,原子所輻射的光譜線總會(huì)有一定寬度(見譜線增寬);即在較窄的波長(zhǎng)范圍內(nèi)仍包含各種不同的波長(zhǎng)成分。原子光譜按波長(zhǎng)的分布規(guī)律反映了原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu),每種原子都有自己特殊的光譜系列。通過對(duì)原子光譜的研究可了解原子內(nèi)部的結(jié)構(gòu),或?qū)悠匪煞诌M(jìn)行定性和定量分析。
② 帶狀光譜。
由一系列光譜帶組成,它們是由分子所輻射,故又稱分子光譜。利用高分辨率光譜儀觀察時(shí),每條譜帶實(shí)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(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)間躍遷時(shí)輻射出來的,通常位于紅外或遠(yuǎn)紅外區(qū)。通過對(duì)分子光譜的研究可了解分子的結(jié)構(gòu)。
?、?連續(xù)光譜。
包含一切波長(zhǎng)的光譜,赤熱固體所輻射的光譜均為連續(xù)光譜。同步輻射源(見電磁輻射)可發(fā)出從微波到X射線的連續(xù)光譜,X射線管發(fā)出的軔致輻射部分也是連續(xù)譜。
?、?吸收光譜。
具有連續(xù)譜的光波通過物質(zhì)樣品時(shí),處于基態(tài)的樣品原子或分子將吸收特定波長(zhǎng)的光而躍遷到激發(fā)態(tài),于是在連續(xù)譜的背景上出現(xiàn)相應(yīng)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(jí)結(jié)構(gòu)的標(biāo)識(shí)吸收光譜。研究吸收光譜的特征和規(guī)律是了解原子和分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重要手段。吸收光譜首先由J.V.夫瑯和費(fèi)在太陽光譜中發(fā)現(xiàn)(稱夫瑯和費(fèi)線),并據(jù)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(lán)色代表氧元素,而綠色代表氫元素。
光譜技術(shù)和光譜儀器持續(xù)向高科技知識(shí)密集化方向發(fā)展
20世紀(jì)末已經(jīng)發(fā)展和成熟的數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化光譜分析檢測(cè)技術(shù)和光譜儀器,目前已成為光譜技術(shù)和光譜儀器持續(xù)發(fā)展的主要方向;以光學(xué)原理為基礎(chǔ)、以精密機(jī)械為構(gòu)架、以電子信號(hào)處理為顯示的傳統(tǒng)光-機(jī)-電一體化光譜儀器已經(jīng)退縮為現(xiàn)代光譜儀器中的二等地位組成,而數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化等部分已成為儀器的核心組成。近期國內(nèi)外新穎光譜儀器新產(chǎn)品層出不窮,其主要變化或進(jìn)展大部分都體現(xiàn)在核心數(shù)字化組成方面,光機(jī)電%基本組成沒有實(shí)質(zhì)性的變化。
可以預(yù)計(jì),雖然光機(jī)電%基本組成也會(huì)隨著全球高科技發(fā)展而不斷更新,例如2004年德國Zeiss公司推出應(yīng)用連續(xù)光源、交叉色散系統(tǒng)的contrAA連續(xù)光源原子吸收分光光度計(jì)構(gòu)成的核心組成的不斷吸收最新高科技發(fā)展成果而不斷更新,而且使光譜儀器發(fā)生出人意料的革命性變化,將是今后若干年光譜儀器事業(yè)持續(xù)發(fā)展的主流方向。例如,在數(shù)字化高科技基礎(chǔ)上將光譜分析技術(shù)與光學(xué)成像技術(shù)巧妙結(jié)合發(fā)展出光譜成像技術(shù),將光譜技術(shù)進(jìn)化到既能完成定性、定量分析,又可進(jìn)行定位分析的新科技,滿足新世紀(jì)提出的?看到人腦組織中化學(xué)、生化成分分
評(píng)論