光谱图
光谱(Spectrum) ：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。光谱中最⼤的⼀部分可见光谱是电磁波谱中⼈眼可见的⼀部分，在这个波长范围内的电磁辐射被称作可见光。光谱并没有包含⼈类⼤脑视觉所能区别的所有颜⾊，譬如褐⾊和粉红⾊。
光波是由原⼦内部运动的电⼦产⽣的。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。研究不同物质的发光和吸收光的情况，有重要的理论和实际意义，已成为⼀门专门的学科--光谱学。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。光波是由原⼦内部运动的电⼦产⽣的。 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．研究不同物质的发光和吸收光的情况，有重要的理论和实际意义，已成为⼀门专门的学科——光谱学。
分⼦的红外吸收光谱⼀般是研究分⼦的振动光谱与转动光谱的，其中分⼦振动光谱⼀直是主要的研究课题。光波是由原⼦内部运动的电⼦受激发后由较⾼能级向较低能级跃迁产⽣的。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。研究不同物质的发光和吸收光的情况，有重要的理论和实际意义，已成为⼀门专门的学科——光谱学。下⾯简单介绍⼀些关于光谱的知识。
发射光谱物体发光直接产⽣的光谱叫做发射光谱。发射光谱有两种类型：连续光谱和明线光谱。
由狭窄谱线组成的光谱。单原⼦⽓体或⾦属蒸⽓所发的光波均有线状光谱，故线状光谱⼜称原⼦光谱。当原⼦能量从较⾼能级向较低能级跃迁时，就辐射出波长单⼀的光波。严格说来这种波长单⼀的单⾊光是不存在的，由于能级本⾝有⼀定宽度和多普勒效应等原因，原⼦所辐射的光谱线总会有⼀定宽度（见谱线增宽）；即在较窄的波长范围内仍包含各种不同的波长成分。原⼦光谱按波长的分布规律反映了原⼦的内部结构，每种原⼦都有⾃⼰特殊的光谱系列。通过对原⼦光谱的研究可了解原⼦内部的结构，或对样品所含成分进⾏定性和定量分析。
由⼀系列光谱带组成，它们是由分⼦所辐射，故⼜称分⼦光谱。利⽤⾼分辨率光谱仪观察时，每
条谱带实际上是由许多紧挨着的谱线组成。带状光谱是分⼦在其振动和转动能级间跃迁时辐射出来的，通常位于红外或远红外区。通过对分⼦光谱的研究可了解分⼦的结构。
连续分布的包含有从红光到紫光各种⾊光的光谱叫做连续光谱。炽热的固体、液体和⾼压⽓体的发射光谱是连续光谱。例如电灯丝发出的光、炽热的钢⽔发出的光都形成连续光谱。
只含有⼀些不连续的亮线的光谱叫做明线光谱（彩图7）。明线光谱中的亮线叫做谱线，各条谱线对应于光谱 - 光学频谱
基本介绍
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编辑本段详细介绍
编辑本段光谱种类
频谱仪线状光谱
带状光谱
连续光谱
光谱
光谱不同波长的光。稀薄⽓体或⾦属的蒸⽓的发射光谱是明线光谱。明线光谱是由游离状态的原⼦发射的，所以也叫原⼦光谱。观察⽓体的原⼦光谱，可以使⽤光谱管（图6-19），它是⼀⽀中间⽐较细
钟阳阳的封闭的玻璃管，⾥⾯装有低压⽓体，管的两端有两个电极。把两个电极接到⾼压电源上，管⾥稀薄⽓体发⽣辉光放电，产⽣⼀定颜⾊的光。
观察固态或液态物质的原⼦光谱，可以把它们放到煤⽓灯的⽕焰或电弧中去烧，使它们⽓化后发光，就可以从分光镜中看到它们的明线光谱。
实验证明，原⼦不同，发射的明线光谱也不同，每种元素的原⼦都有⼀定的明线光谱。彩图7就是⼏种元素的明线光谱。每种原⼦只能发出具有本⾝特征的某些波长的光，因此，明线光谱的谱线叫做原⼦的特征谱线。利⽤原⼦的特征谱线可以鉴别物质和研究原⼦的结构。
⾼温物体发出的⽩光（其中包含连续分布的⼀切波长的光）通过物质时，某些波长的光被物质吸收后产⽣的光谱，(或具有连续谱的光波通过物质样品时，处于基态的样品原⼦或分⼦将吸收特定波长的光⽽跃迁到激发态，于是在连续谱的背景上出现相应的暗线或暗带)，叫做吸收光谱。例如，让弧光灯
发出的⽩光通过温度较低的钠⽓（在酒精灯的灯⼼上放⼀些⾷盐，⾷盐受热分解就会产⽣钠⽓），然后⽤分光镜来观察，就会看到在连续光谱的背景中有两条挨得很近的暗线（见彩图8．分光镜的分辨本领不够⾼时，只能看见⼀条暗线）。这就是钠原⼦的吸收光谱。值得注意的是，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。因此，吸收光谱中的谱线（暗线），也是原⼦的特征谱线，只
曾康霖是通常在吸收光谱中看到的特征谱线⽐明线光谱中的少。每种原⼦或分⼦都有反映其能级结构的标识吸收光谱。研究吸收光谱的特征和规律是了解原⼦和分⼦内部结构的重要⼿段。吸收光谱⾸先由J.V.夫琅和费在太阳光谱中发现（称夫琅和费线），并据此确定了太阳所含的某些元素。⼈们对光谱的研究已有⼀百多年的历史了。1666年，⽜顿把通过玻璃棱镜的太阳光分解成了从红光到紫光的各种颜⾊的光谱，他发现⽩光是由各种颜⾊的光组成的。这是可算是最早对光谱的研究。
其后⼀直到1802年，渥拉斯顿观察到了光谱线，其后在1814年夫琅和费也独⽴地发现它。⽜顿之所以没有能观察到光谱线，是因为他使太阳光通过了圆孔⽽不是通过狭缝。在1814～1815年之间，夫琅和费公布了太阳光谱中的许多条暗线，并以字母来命名，其中有些命名沿⽤⾄今。此后便把这些线称为夫琅和费暗线。
实⽤光谱学是由基尔霍夫与本⽣在19世纪60年代发展起来的；他们证明光谱学可以⽤作定性化学分析的新⽅法，并利⽤这种⽅法发现了⼏种当时还未知的元素，并且证明了太阳⾥也存在着多种已知的元素。从19世纪中叶起，氢原⼦光谱⼀直是光谱学研究的重要课题之⼀。在试图说明氢原⼦光谱的过程中，所得到的各项成就对量⼦⼒学法则的建⽴起了很⼤促进作⽤。这些法则不仅能够应⽤于氢原⼦，也能应⽤于其他原⼦、分⼦和凝聚态物质。
氢原⼦光谱中最强的⼀条谱线是1853年由瑞典物理学家埃斯特朗探测出来的。此后的20年，在星体的
光谱中观测到了更多的氢原⼦谱线。1885年，从事天⽂测量的瑞⼠科学家巴⽿末到⼀个经验公式来说明已知的氢原⼦诺线的位置，此后便把这⼀组线称为巴⽿末系。继巴⽿末的成就之后，1889年，瑞典光谱学家⾥德伯发现了许多元素的线状光谱系，其中最为明显的为碱⾦属原⼦的光谱系，它们也都能满⾜⼀个简单的公式。
尽管氢原⼦光谱线的波长的表⽰式⼗分简单，不过当时对其起因却茫然不知。⼀直到1913年，玻尔才对它作出了明确的解释。但玻尔理论并不能解释所观测到的原⼦光谱的各种特征，即使对于氢原⼦光谱的进⼀步的解释也遇到了困难。
能够满意地解释光谱线的成因的是20世纪发展起来的量⼦⼒学。电⼦不仅具有轨道⾓动量，⽽且还具有⾃旋⾓动量。这两种⾓动量的结合便成功地解释了光谱线的分裂现象。
电⼦⾃旋的概念⾸先是在1925年由乌伦贝克和古兹密特作为假设⽽引⼊的，以便解释碱⾦属原⼦光谱的原⼦光谱
吸收光谱
编辑本段发展历史
测量结果。在狄喇克的相对论性量⼦⼒学中，电⼦⾃旋(包括质⼦⾃旋与中⼦⾃旋)的概念有了牢固的
理论基础，它成了基本⽅程的⾃然结果⽽不是作为⼀种特别的假设了。
1896年，塞曼把光源放在磁场中来观察磁场对光三重线，发现这些谱线都是偏振的。现在把这种现象称为塞曼效应。次年，洛伦兹对于这个效应作了满意的解释。
塞曼效应不仅在理论上具有重要意义，⽽且在应⽤中也是重要的。在复杂光谱的分类中，塞曼效应是⼀种很有⽤的⽅法，它有效地帮助了⼈们对于复杂光谱的理解。
编辑本段相关研究
根据研究光谱⽅法的不同，习惯上把光谱学区分为发射光谱学、吸收光谱学与散射光谱学。这些不同种类的光谱学，从不同⽅⾯提供物质微观结构知识及不同的化学分析⽅法。
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。
现在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。
我们把氢原⼦光谱的最⼩能量定为最低能量，这个能态称为基态，相应的能级称为基能级。当原⼦以某种⽅法从基态被提升到较⾼的能态上时，原⼦的内部能量增加了，原⼦就会把这种多余的能量以光的形式发射出来，于是产⽣了原⼦的发射光谱，反之就产⽣吸收光谱。这种原⼦能态的变化不是连续的，⽽是量⼦性的，我们称之为原⼦能级之间的跃迁。
在分⼦的发射光谱中，研究的主要内容是⼆原⼦分⼦的发射光谱。在分⼦中，电⼦态的能量⽐振动态的能量⼤50～100倍，⽽振动态的能量⽐转动态的能量⼤50～100倍。因此在分⼦的电⼦态之间的跃迁中，总是伴随着振动跃迁和转动跃迁的，因⽽许多光谱线就密集在⼀起⽽形成带状光谱。
从发射光谱的研究中可以得到原⼦与分⼦的能级结构的知识，包括有关重要常数的测量。并且原⼦发射光谱⼴泛地应⽤于化学分析中。
当⼀束具有连续波长的光通过⼀种物质时，光束中的某些成分便会有所减弱，当经过物质⽽被吸收的光束由光谱仪展成光谱时，就得到该物质的吸收光谱。⼏乎所有物质都有其独特的吸收光谱。原⼦的吸收光谱所给出的有关能级结构的知识同发射光谱所给出的是互为补充的。
⼀般来说，吸收光谱学所研究的是物质吸收了那些波长的光，吸收的程度如何，为什么会有吸收等问题。研究的对象基本上为分⼦。
吸收光谱的光谱范围是很⼴阔的，⼤约从10纳⽶到1000微⽶。在200纳⽶到800纳⽶的光谱范围内，可以观测到固体、液体和溶液的吸收，这些吸收有的是连续的，称为⼀般吸收光谱；有的显⽰出⼀个或多个吸收带，称为选择吸收光谱。所有这些光谱都是由于分⼦的电⼦态的变化⽽产⽣的。
选择吸收光谱在有机化学中有⼴泛的应⽤，包括对化合物的鉴定、化学过程的控制、分⼦结构的确定、定性和定量化学分析等。
分⼦的红外吸收光谱⼀般是研究分⼦的振动光谱与转动光谱的，其中分⼦振动光谱⼀直是主要的研究课题。
分⼦振动光谱的研究表明，许多振动频率基本上是分⼦内部的某些很⼩的原⼦团的振动频率，并且这些频率就是这些原⼦团的特征，⽽不管分⼦的其余的成分如何。这很像可见光区域⾊基的吸收光谱，这⼀事实在分⼦红外吸收光谱的应⽤中是很重要的。多年来都⽤来研究多原⼦分⼦结构、分⼦的定量及定性分析等。
在散射光谱学中，喇曼光谱学是最为普遍的光谱学技术。当光通过物质时，除了光的透射和光的吸收外，还观测到光的散射。在散射光中除了包括原来的⼊射光的频率外(瑞利散射和廷德⽿散射)，还包括⼀些新的频率。这种产⽣新频率的散射称为喇曼散射，其光谱称为喇曼光谱。
喇曼散射的强度是极⼩的，⼤约为瑞利散射的千分之⼀。喇曼频率及强度、偏振等标志着散射物质的性质。从这些资料可以导出物质结构及物质组成成分的知识。这就是喇曼光谱具有⼴泛应⽤的原因。
分光镜
光谱光谱由于喇曼散射⾮常弱，所以⼀直到1928年才被印度物理学家喇曼等所发现。他们在⽤汞灯的单⾊光来照射某些液体时，在液体的散射光中观测到了频率低于⼊射光频率的新谱线。在喇曼等⼈宣布了他们的发现的⼏个⽉后，苏联物理学家兰茨见格等也独⽴地报道了晶体中的这种效应的存在。
喇曼效应起源于分⼦振动(和点阵振动)与转动，因此从喇曼光谱中可以得到分⼦振动能级(点阵振动能级)与转动能级结构的知识。
喇曼散射强度是⼗分微弱的，在激光器出现之前，为了得到⼀幅完善的光谱，往往很费时间。⾃从激光器得到发展以后，利⽤激光器作为激发光源，喇曼光谱学技术发⽣了很⼤的变⾰。激光器输出的激光具有很好的单⾊性、⽅向性，且强度很⼤，因⽽它们成为获得喇曼光谱的近乎理想的光源，特别是连续波氩离⼦激光器与氨离⼦激光器。于是喇曼光谱学的研究⼜变得⾮常活跃了，其研究范围也有了很⼤的扩展。除扩⼤了所研究的物质的品种以外，在研究燃烧过程、探测环境污染、分析各种材料等⽅⾯喇曼光谱技术也已成为很有⽤的⼯具。
其它光学分⽀学科：
光学、⼏何光学、波动光学、⼤⽓光学、海洋光学、 量⼦光学、光谱学、⽣理光学、 电⼦光学、集成光学、 空间光学、光⼦学等。
观察光谱要⽤分光镜，这⾥我们先讲⼀下分光镜的构造原理。图6-18是分光镜的构造原理⽰意图。它是由平⾏光管A 、三棱镜P 和望远镜筒B 组成的。平⾏光管A 的前⽅有⼀个宽度可以调节的狭缝S ，它位于透镜L1的焦平⾯①处．从狭缝射⼊的光线经透镜L1折射后，变成平⾏光线射到三棱镜P 上。不同
颜⾊的光经过三棱镜沿不同的折射⽅向射出，并在透镜L2后⽅的焦平⾯MN 上分别会聚成不同颜⾊的像（谱线）。通过望远镜筒B 的⽬镜L3，就看到了放⼤的光谱像。如果在MN 那⾥放上照相底⽚，就可以摄下光谱的像。具有这种装置的光谱仪器叫做摄谱仪。日本海啸预警
不同的原⼦的颜⾊是不同的。不同元素的光谱不⼀样，也就是他们吸收和跳变跃级释放出的光的波长不⼀样，因此也产⽣了颜⾊的差别。如果物质是以单原⼦的形式⽽存在，关键看该原⼦的电⼦激发能了。如果在可见光的某个范围内，并且吸收某⼀部分光线，那它就显剩下的部分的光线的颜⾊。如该原⼦的电⼦激发能⾮常低，可以吸收任意的光线，该原⼦就是⿊⾊的，如果该原⼦的电⼦激发能⾮常⾼。不能吸收任何光线，它就是⽩⾊的。如果它能吸收短波部分的光线，那它就是红⾊或黄⾊的。实验证明，原⼦不同，发射的明线光谱也不同，每种元素的原⼦都有⼀定的明线光谱．每种原⼦只能发
出具有本⾝特征的某些波长的光，因此，明线光谱的谱线叫做原⼦的特征谱线．通过光谱的研究，⼈们可以得到原⼦、分⼦等的能级结构、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。
具体的元素光谱：红⾊代表硫元素，蓝⾊代表氧元素,⽽绿⾊代表氢元素。
由于每种原⼦都有⾃⼰的特征谱线，因此可以根据光谱来鉴别物质和确定它的化学组成。这种⽅法叫做光谱分析。做光谱分析时，可以利⽤发射光谱，也可以利⽤吸收光谱。这种⽅法的优点是⾮常灵敏⽽且迅速。某种元素在物质中的含量达10^-10(10的负10次⽅)克，就可以从光谱中发现它的特征谱线，湖南同志
因⽽能够把它检查出来。光谱分析在科学技术中有⼴泛的应⽤。例如，在检查半导体材料硅和锗是不是达到了⾼纯度的要求时，就要⽤到光谱分析。在历史上，光谱分析还帮助⼈们发现了许多新元素。例如，铷和铯就是从光谱中看到了以前所不知道的特征谱线⽽被发现的。光谱分析对于研究天体的化学组成也很有⽤。⼗九世纪初，在研究太阳光谱时，发现它的连续光谱中有许多暗线（参看彩图9，其中只有⼀些主要暗线）。最初不知道这些暗线是怎样形成的，后来⼈们了解了吸收光谱的成因，才知道这是太阳内部发出的强光经过温度⽐较低的太阳⼤⽓层时产⽣的吸收光谱。仔细分析这些暗线，把它跟各种原⼦的特征谱线对照，⼈们就知道了太阳⼤⽓层中含有氢、氦、氮、碳、氧、铁、镁、硅、钙、钠等⼏⼗种元素。
复⾊光经过⾊散系统分光后按波长的⼤⼩依次排列的图案，如太阳光经过分光后形成按红橙黄绿编辑本段光谱相关
分光镜
元素光谱
光谱分析
蓝靛紫次序连续分布的彩⾊光谱。有关光谱的结构，发⽣机制，性质及其在科学研究、⽣产实践中的
应⽤已经累积了很丰富的知识并且构成了⼀门很重要的学科～光谱学。光谱学的应⽤⾮常⼴泛，每种原⼦都有其独特的光谱，犹如⼈们的“指纹”⼀样各不相同。它们按⼀定规律形成若⼲光谱线系。原⼦光谱线系的性质与原⼦结构是紧密相联的，是研究原⼦结构的重要依据。应⽤光谱学的原理和实验⽅法可以进⾏光谱分析，每⼀种元素都有它特有的标识谱线，把某种物质所⽣成的明线光谱和已知元素的标识谱线进⾏⽐较就可以知道这些物质是由哪些元素组成的，⽤光谱不仅能定性分析物质的化学成分，⽽且能确定元素含量的多少。光谱分析⽅法具有极⾼的灵敏度和准确度。在地质勘探中利⽤光谱分析就可以检验矿⽯⾥所含微量的贵重⾦属、稀有元素或放射性元素等。⽤光谱分析速度快，⼤⼤提⾼了⼯作效率。还可以⽤光谱分析研究天体的化学成分以及校定长度的标准原器等。
复⾊光经过⾊散系统（如棱镜、光栅）分光后，按波长（或频率）的⼤⼩依次排列的图案。例如，太阳光经过三棱镜后形成按红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫次序连续分布的彩⾊光谱。红⾊到紫⾊，相应于波长由0.77~0.39µm的区域，是为⼈眼所能感觉的可见部分。红端之外为波长更长的红外光，紫端之外则为波长更短的紫外光，都不能为⾁眼所觉察，但能⽤仪器记录。
成本效益分析
因此，按波长区域不同，光谱可分为红外光谱、可见光谱和紫外光谱；按产⽣的本质不同，可分为原⼦光谱、分⼦光谱；按产⽣的⽅式不同，可分为发射光谱、吸收光谱和散射光谱；按光谱表观形态不同，可分为线光谱、带光谱和连续光谱。
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