1、光譜學的發(fā)展簡史及應用一：光譜學發(fā)展簡史光譜學是光學的一個分支學科,它主要研究各種物質的光譜的產生及其同物質之間的相互作用。光譜是電磁輻射按照波長的有序排列，根據實驗條件的不同，各個輻射波長都具有各自的特征強度。通過光譜的研究，人們可以得到原子、分子等的能級結構、能級壽命、電子的組態(tài)、分子的幾何形狀、化學鍵的性質、反應動力學等多方面物質結構的知識。但是，光譜學技術并不僅是一種科學工具，在化學分析中它也提供了重要的定性與定量的分析方法。光譜學的研究已有一百多年的歷史了。1666年，牛頓把通過玻璃棱鏡的太陽光分解成了從紅光到紫光的各種顏色的光譜，他發(fā)現(xiàn)白光是由各種顏色的光組成的。這是可算是最早對光

2、譜的研究。其后一直到1802年，渥拉斯頓觀察到了光譜線，其后在1814年夫瑯和費也獨立地發(fā)現(xiàn)它。在18141815年之間，夫瑯和費公布了太陽光譜中的許多條暗線，并以字母來命名，其中有些命名沿用至今。此后便把這些線稱為夫瑯和費暗線。實用光譜學是由基爾霍夫與本生在19世紀60年代發(fā)展起來的;他們證明光譜學可以用作定性化學分析的新方法，并利用這種方法發(fā)現(xiàn)了幾種當時還未知的元素，并且證明了太陽里也存在著多種已知的元素。從19世紀中葉起，氫原子光譜一直是光譜學研究的重要課題之一。氫原子光譜中最強的一條譜線是1853年由瑞典物理學家埃斯特朗探測出來的。此后的20年，在星體的光譜中觀測到了更多的氫原子譜線。

3、1885年，從事天文測量的瑞士科學家巴耳末找到一個經驗公式來說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系。繼巴耳末的成就之后，1889年，瑞典光譜學家里德伯發(fā)現(xiàn)了許多元素的線狀光譜系，其中最為明顯的為堿金屬原子的光譜系，它們也都能滿足一個簡單的公式。一直到1913年，玻爾才對它作出了明確的解釋。但玻爾理論并不能解釋所觀測到的原子光譜的各種特征，即使對于氫原子光譜的進一步的解釋也遇到了困難。1896年，塞曼把光源放在磁場中來觀察磁場對光三重線，發(fā)現(xiàn)這些譜線都是偏振的?，F(xiàn)在把這種現(xiàn)象稱為塞曼效應。次年，洛倫茲對于這個效應作了滿意的解釋。塞曼效應不僅在理論上具有重要意義，而且在應用中也是

4、重要的。在復雜光譜的分類中，塞曼效應是一種很有用的方法，它有效地幫助了人們對于復雜光譜的理解。二：光譜學的內容根據研究光譜方法的不同，習慣上把光譜學區(qū)分為發(fā)射光譜學、吸收光譜學與散射光譜學。這些不同種類的光譜學，從不同方面提供物質微觀結構知識及不同的化學分析方法。發(fā)射光譜學發(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。線狀光譜主要產生于原子，帶狀光譜主要產生于分子，連續(xù)光譜則主要產生于白熾的固體或氣體放電?，F(xiàn)在觀測到的原子發(fā)射的光譜線已有百萬條了。每種原子都有其獨特的光譜，猶如人的指紋一樣是各不相同的。根據光譜學的理論，每種原子都有其自身的一系列分立的能態(tài)，每一能態(tài)都有一

5、定的能量。h為普朗克常數(shù)。公式中的負號是因為習慣上把相應于n=-的能量定為最高值并令它等于零，而相應于n=l的能量則定為最低能量，這個能態(tài)稱為基態(tài)，相應的能級稱為基能級。當原子以某種方法從基態(tài)被提升到較高的能態(tài)上時，原子的內部能量增加了，原子就會把這種多余的能量以光的形式發(fā)射出來，于是產生了原子的發(fā)射光譜。原子發(fā)射出來的光的頻率v為，Wn-WiV=式中Wn為較高能級的能量，Wi為較低能級的能量。頻率經常以厘米倒數(shù)（cm-來量度;1厘米倒數(shù)是在1厘米長度內所包括的波長數(shù)目。如果原子中產生光譜的電子不只一個時，各個電子的自旋的矢量和S為電子組態(tài)的總自旋。量子數(shù)S永遠是正數(shù)。對于軌道角動量也是如此，

6、它們的和給出原子的總軌道角動量（量子數(shù)為L）。L=o時，有關的能態(tài)稱為S態(tài)；L=1時，稱為P態(tài)；L=2時，稱為D態(tài)等。多電子原子能級的高低依賴于S,依賴于L,也依賴于S與L之間的相互作用。S與L結合在一起給出原子的總角動量J。量子數(shù)J取正值，其范圍在L與S之差的最小值和L+S的最大值之間。在光譜學中，常常以符號MLJ來表示原子的能級或者光譜項。其中M=2S+1為光譜的多重性，是表示能級分裂的數(shù)目的。例，則M=2，這意味著每個能級（S能級除外）都分裂成兩個成分，堿金屬原子能級就屬于這種情況。對于兩個電子的原子而言,S=0或1,這取決于兩電子的自旋方向是平行的還是反平行，因之能級的多重性或者為1（

7、能級無分裂）或者為3（每一能級分裂成三個成分）。堿土金屬原子的能級就屬于這種情況。依次類推。址光Jt嗑羊誦4#號植*原子在各能級之間的躍遷就產生出光譜線來，從高能級向低能級的躍遷產生發(fā)射光譜；反之，產生吸收光譜。根據量子力學的法則，原子在能級之間的躍遷是遵守選擇定則的，這些選擇定則為L=0，1；S=0；J=0）（除了J=0），1。符號L表示躍遷中的初態(tài)與終態(tài)的L值之差。S和4J的意義同此。在分子的發(fā)射光譜中，研究的主要內容是二原子分子的發(fā)射光譜在分子中，電子圍繞著兩個或多個原子核運動，像原子一樣，每種運動都有其特定的能級。除了電子運動之外，原子核圍繞其中心彼此作周期振動;此外，這些原子核作為整

8、體也會圍繞某些軸在空間轉動。所有這些運動都會顯示在分子光譜中，因而分子光譜就變得十分復雜了。分子中的電子，像原子中的電子一樣有四個量子數(shù)。但在二原子分子中，電子為兩個原子核所共有，因而量子數(shù)m就由一個新的量子數(shù)人來代替了。人表示電子軌道對于分子軸的取向，它可以為正值也可以為負值，但在數(shù)值上不能大于1。在二原子分子中，人同自旋s的結合很相似于原子中的1與s的結合。它們結合在一起的代數(shù)和表示電子的總角動量在分子軸上的投影，其數(shù)值由人表示，人=0，1,2,。相應于人的不同的值的電子態(tài)分別由大寫的希臘字母T、n、e、表示。分子能態(tài)的符號同原子相似為MA，M仍等于2S+1。例如H2、N2、HC1等的最低

9、電子態(tài)為吃，02的為3，NO的為2口等。在分子中，電子態(tài)的能量比振動態(tài)的能量大50100倍，而振動態(tài)的能量比轉動態(tài)的能量大50100倍。因此，在分子的電子態(tài)之間的躍遷中，總是伴隨著振動躍遷和轉動躍遷的，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級結構的知識，包括有關重要常數(shù)的測量。并且原子發(fā)射光譜廣泛地應用于化學分析中。吸收光譜學當一束具有連續(xù)波長的光通過一種物質時，光束中的某些成分便會有所減弱，當經過物質而被吸收的光束由光譜儀展成光譜時，就得到該物質的吸收光譜。幾乎所有物質都有其獨特的吸收光譜。原子的吸收光譜所給出的有關能級結構的知識同發(fā)射光譜所給出的

10、是互為補充的。一般來說，吸收光譜學所研究的是物質吸收了那些波長的光，吸收的程度如何，為什么會有吸收等問題。研究的對象基本上為分子。吸收光譜的光譜范圍是很廣闊的，大約從10納米到1000微米。在200納米到800納米的光譜范圍內，可以觀測到固體、液體和溶液的吸收，這些吸收有的是連續(xù)的，稱為一般吸收光譜；有的顯示出一個或多個吸收帶，稱為選擇吸收光譜。所有這些光譜都是由于分子的電子態(tài)的變化而產生的。選擇吸收光譜在有機化學中有廣泛的應用，包括對化合物的鑒定、化學過程的控制、分子結構的確定、定性和定量化學分析等。分子的紅外吸收光譜一般是研究分子的振動光譜與轉動光譜的，其中分子振動光譜一直是主要的研究課題

11、。分子振動光譜的研究表明，許多振動頻率基本上是分子內部的某些很小的原子團的振動頻率，并且這些頻率就是這些原子團的特征，而不管分子的其余的成分如何。這很像可見光區(qū)域色基的吸收光譜，這一事實在分子紅外吸收光譜的應用中是很重要的。多年來都用來研究多原子分子結構、分子的定量及定性分析等。在散射光譜學中，喇曼光譜學是最為普遍的光譜學技術。當光通過物質時，除了光的透射和光的吸收外，還觀測到光的散射。在散射光中除了包括原來的入射光的頻率外（瑞利散射和廷德耳散射），還包括一些新的頻率。這種產生新頻率的散射稱為喇曼散射，其光譜稱為喇曼光譜。喇曼散射的強度是極小的，大約為瑞利散射的千分之一。喇曼頻率及強度、偏振等

12、標志著散射物質的性質。從這些資料可以導出物質結構及物質組成成分的知識。這就是喇曼光譜具有廣泛應用的原因。I束箔光譜學汞燈級（o體中課28年才被印度物理學家喇曼等所發(fā)現(xiàn)。他們在用）與轉動，因此從喇曼光譜中可以得到分子振動能喇曼散射強度是十分微弱的，在激光器出現(xiàn)之前，為了得到一幅完善的光譜，往往很費時間。自從激光器得到發(fā)展以后，利用激光器作為激發(fā)光源，喇曼光譜學技術發(fā)生了很大的變革。激光器輸出的激光具有很好的單色性、方向性，且強度很大，因而它們成為獲得喇曼光譜的近乎理想的光源，特別是連續(xù)波氬離子激光器與氨離子激光器。于是喇曼光譜學的研究又變得非常活躍了，其研究范圍也有了很大的擴展。除擴大了所研究的

13、物質的品種以外，在研究燃燒過程、探測環(huán)境污染、分析各種材料等方面喇曼光譜技術也已成為很有用的工具。束箔光譜學束箔光譜學是最近十幾年國際上發(fā)展起來的一門新興學科。主要內容是，用被加速的離子撞擊不同元素的薄箔的方法研究基礎原子物理學、測量電子能級的平均壽命。目前國際上已有很多人將加速器改裝用來研究束箔問題。能量在102103eV范圍的束箔實驗可以揭示被加速的元素低電離的電子特性，高達810MeV/核子的范圍可以產生高Z的單電子和雙電子系統(tǒng)的躍遷，這種躍遷可靈敏地檢驗量子電動力學。束箔技術應用于天體物理問題上，可以對日冕的性質以及銀河系中元素的豐度得到很好的理解。光譜分析在科學技術中的應用在檢查半導

14、體材料硅和鍺是不是達到了高純度的要求時，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；應用光譜學的原理和實驗方法可以進行光譜分析，每一種元素都有它特有的標識譜線，把某種物質所生成的明線光譜和已知元素的標識譜線進行比較就可以知道這些物質是由哪些元素組成的，用光譜不僅能定性分析物質的化學成分，而且能確定元素含量的多少。光譜分析對于研究天體的化學組成也很有用。十九世紀初，在研究太陽光譜時，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，才知道這是太陽內部發(fā)出的強光經過溫度比較低的太陽大氣層時產生的吸收光譜。仔細分析這些暗線，把它跟各種原子的特征譜線對照，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。光譜技術和光譜儀器持續(xù)向高科技知識密集化