光譜技術(shù)的簡介、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)分布的一切波長的光）通過物質(zhì)時(shí)，某些波長的光被物質(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（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(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)，就輻射出波長單一的光波。嚴(yán)格說來這種波長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）；即在較窄的波長范圍內(nèi)仍包含各種不同的波長成分。原子光譜按波長的分布規(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。

　　④ 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