一．光譜學和光譜

光譜學(spectroscopy)是通過物質與不同頻率(或波長)的電磁波之間的相互作用來研究其性質的一種方法。它是研究組成物質的微觀粒子(原子或分子)的一種重要手段。但是，在光的作用下并不是直接觀察到微觀粒子這個“軀體”，而是觀察到它的“靈魂”，即光與不同自由度的微觀粒子之間的相互作用，反映的是微觀粒子的運動狀態。這種相互作用會給出不同的“像”，它隨光的頻率和微觀粒子而變化，這就是光譜(spectrum)。

光譜學是一種通用的基礎科學研究方法，它可以用于提取所需要的諸如電子能級、分子振動態和轉動態、粒子結構和對稱性、躍遷概率等信息，這些信息對于物理學、化學、生物醫學、天文學和環境科學等領域的微觀粒子研究極其重要；光譜學也是一種實用的應用工具，它可以用于環境監測、工業檢驗、臨床醫學、對地觀測等諸多領域。

什么是光譜？如何表示光譜？

光譜是按頻率由小到大(或由大到小)的順序排列的電磁輻射強度圖案，它反映了一個物理系統的能級結構狀況。通常可以用一維曲線表示光譜，縱坐標是輻射強度(I)、吸光度[-lg（I/I0）]或透射率(I/I0)·橫坐標可以是頻率(frequency)、波數(wavenumber)、波長(wavelength)或能量(energy)，典型的光譜圖如下圖所示。

在光譜圖上通常會出現多個峰，每個獨立的峰一般由微觀粒子在兩能級之間的躍遷形成，是電磁波與物質相互作用的結果，其中峰的位置(ν1)、峰的半寬度(△ν)和峰的強度(I1)都是用于定性和定量分析的有用特征。但是，實際的光譜由于譜線展寬、峰重疊等因素的影響會顯得更為復雜。

如上圖所示，按照頻率由大到小的順序，可以將電磁波分為γ射線、X射線、紫外光、可見光、紅外光、微波和無線電波幾個區域，它們來源于不同類型的能級間躍遷，反映了電磁波與物質的不同的相互作用結果。

一般來說，Y射線由原子核能級之間的躍遷引起，X射線由內層電子能級之間的躍遷引起，紫外光和可見光由外層電子能級之間的躍遷引起，近、中紅外光由分子振動能級之間的躍遷引起，遠紅外光和微波由分子轉動能級之間的躍遷引起，無線電波主要由電子自旋和核磁共振能級之間的躍遷引起。

在光譜的表達中，光譜橫坐標的選擇會因光譜區域而異。比如，通常在無線電波區使用MHz或cm ^-1^ ，在紅外光區使用μm或cm ^-1^ ，在紫外光區和可見光區使用nm，而在X射線區使用keV。

事實上，不同光譜橫坐標之間是可以相互轉換的，頻率、波數、波長和能量之間存在如下簡單的換算關系：

其中，

從上面的換算關系中可以看出：

(1)波數和能量均與頻率成正比，如果取頻率單位為Hz、波數單位為cm ^-1^ 、能量單位為eV(1J≈6.24150×10^18^eV)，那么它們之間的轉換因子如下表所示。

表 不同光譜單位之間的轉換因子

(2)波長與頻率成反比，如果頻率等間隔分布，則對應的波長間隔將隨頻率的增加而減小，這提醒我們將橫坐標在波長和頻率間進行轉換時可能引起光譜形狀的變化。

利用上面的換算關系并結合電磁波能量與光譜的關系，可以進一步認識到：內層電子能級間隔約10^3^eV量級，而外層電子能級間隔約10eV量級；分子轉動能級間隔約10^-3^eV(約10cm ^-1^ )量級，而分子振動能級間隔約10^-1^eV量級。根據這些能夠對不同光譜區域的能量量級做一個初步的判斷。

二．光譜測量

光譜是光與物質相互作用的一種表現形式，這種相互作用會影響光，也會影響物質。光譜測量通常包括兩個過程——激發和探測。通過一定的措施(如電磁輻射、高溫燃燒、化學反應等)激發樣品，然后探測通過樣品后的特征光信號。

根據所測量的特征光信號的形式，可以把光譜分為發射光譜和吸收光譜。

發射光譜測量的是激發導致的從樣品中發射出來的特征光信號。通過激發使樣品分子或原子處于高能級，然后在向低能級躍遷的過程中向外發射光信號，如熒光光譜、磷光光譜、拉曼光譜等均屬于發射光譜。通常，發射光譜中特征光的出射方向會偏離原入射光方向，而且特征光中會包含除入射光外的新的頻率(或波長)。

吸收光譜測量的是外部光通過樣品后被樣品改變過的光信號，它測量的是不同頻(或波長)下光的吸收，樣品的能級結構決定了它只能對特定頻率(或波長)處的光產生較強的吸收。通常，吸收光譜不會產生除入射光以外的新的頻率(或波長)，其縱坐標可用透射率I/I0或吸光度-Ig(I/I0)表示。

一般情況下，光譜檢測系統包括三個部分：光源、色散組件和探測器。光源用于激發樣品，探測器用于記錄特征光信號，而色散單元是光譜檢測系統中的核心部件，它的主要功能是把復色光分解為單色光以便于按頻率(或波長)順序對光信號進行記錄。實際的光譜檢測系統可能還需要專門的樣品池或樣品室，以用于裝盛樣品、定量分析或防止外部環境對光譜測量產生影響。

事實上在光譜測量時，除了樣品本身會受外部擾動影響外，光譜檢測系統的光源和探測器也會受到外部擾動的影響，所以我們都是在有外部擾動的情況下測量光譜，換句話說，光譜中總是包含外部擾動信息。但是，這種擾動并不總是有害的，在已知擾動的情況下所測得的光譜包含待測樣品更為完整的信息。

三．光譜技術的應用

光譜技術究竟有什么用呢？

概括地說，光譜技術的用途主要有鑒別物質、測量物量和精密測量。

構成物質的原子或分子會發射或吸收大量的特征譜線，而不同原子或分子的特征是不一樣的，這樣利用光譜就能區分不同的物質。更進一步，光譜能夠詳細地研究原子或分子結構，比如基態和激發態下的電子結構等，所以光譜技術是研究物質世界的一種重要手段。在原子物理上，氫原子能級結構的確定依靠的是光譜技術；在化學上，元素周期的大部分元素都是利用光譜發現的；在生物學上，利用光譜能夠研究蛋白質大分子的構型；在日常生活中，利用光譜可以進行寶石鑒定、食品有害物質檢測、水果成分檢測等。

光譜也能夠用于物質含量的精確測量。利用物質的發射光譜可以輕易地測量百萬分之一(ppm，parts per million)的物質含量，而現在的光譜技術的測量極限遠優于百萬分之一。利用光譜的高靈敏度，可以用于水、食品、水果等物質中微量元素的檢測，其檢測精度不遜于一般的化學方法，但是檢測速度上卻比化學方法快很多。

光譜除了上述兩方面的應用外，還有一些其他的應用，它們一般是某些因素會導致光譜變化，通過光譜測量檢測這些因素。比如：在天文學上，利用光譜的紅移或藍移效應可以檢測星體相對于地球的移動速度，利用譜線的多普勒展寬大小可以估計星體的表面溫度；在化學上，利用飛秒光譜可以探測化學反應過程。

來源：小小光學08

審核編輯：湯梓紅