简介： 光谱学是研究能量和物质之间相互作用作为波长的函数 。 不同的化学元素有其不同的发射线特征 ， 故而可以通过分析光谱线来推断未知物体的化学成分 。 光子的能量与其波长相关 ， 因此可用光谱学来鉴别任何化学元素或化合物 。
光谱学是研究能量和物质之间相互作用作为波长的函数 。 不同的化学元素有其不同的发射线特征 ， 故而可以通过分析光谱线来推断未知物体的化学成分 。 光子的能量与其波长相关 ， 因此可用光谱学来鉴别任何化学元素或化合物 。
在我们认识光谱学是什么之前我们先来看一看什么是光 。 光属于电磁波（EM）的一种 。
本文图片
电磁图谱
这篇文章我们只需要集中于可见光 。
本文图片
光透过三棱镜的动画演示
早在公元40世纪 ， 塞纳卡便发现了光透过棱镜的色散现象 。 不过知道1666年牛顿提出后光由不同颜色组成的概念才变得广为流传 。 1802年 ， 英国化学家威廉·海德·沃拉斯顿从一个玻璃棱镜观察到了光谱中的暗线(吸收线) 。 后来 ， 在1814年 ， 德国物理学家约瑟夫·冯·夫琅和费独立地重新发现了这些谱线 ， 并开始系统的研究这些波长的特征 。 他总共绘制了570多条线 ， 从A排到K ， 更弱一些的线用其他字母表示 。
本文图片
可见光谱中的氢吸收线
如果你观察透过三棱镜观察太阳光谱 ， 你也许能观察到上图 。 这些被称为夫琅和费线或者吸收线 。
1859年 ， 古斯塔夫·罗伯特·基尔霍夫和罗伯特·本生通过观察元素燃烧时所形成的光谱指出 ， 每种化学元素的放射线都有独特的“特征” ， 并推断太阳光谱中的暗线是由太阳上层元素的吸收造成的 。 还有一些事被地球大气中的氧分子吸收 。 比如用分光仪观察被燃烧的氢气 ， 我们能观察到一组不同的放射线 。
本文图片
氢的放射线
比较一下这两个图 ， 我们不难看出这两种线是相匹配的 。 在做实验的时候 ， 基尔霍夫和本生观察太阳通过高温气体(来自本生灯)时的光谱并比较不同元素时发出的光谱 。 本生灯正是在这个过程中发明的 。
本文图片
基尔霍夫-本生实验
总的来说 ， 在太阳光谱中有超过1000条可观测到的夫琅和费谱线 ， 因为每种元素都有自己的特征 ， 我们可以通过分析谱线来推断太阳或任何未知物体的化学成分 。
那么是什么造成了这种现象呢？
本文图片
电子能级
原子由质子、中子和电子组成 。 质子带正电荷 ， 电子带负电荷 ， 中子不带电荷(电中性) 。 丹麦物理学家尼尔斯·玻尔设计了一个有助于解释吸收线和发射线的原子模型 。 在他的模型中 ， 质子和中子在原子核中 ， 电子围绕原子核运行 。 值得注意的一点是 ， 在这个模型中,电子只允许在距离原子核的特定距离轨道上运行,就像行星只能在一定的距离轨道上环绕太阳一样 。 离原子核越远 ， 需要的能量就越多 。 每一个“距离”都被称为一个能级 。 电子可以在不同能级之间移动 ， 但它需要互换能量 。 当我们讨论光子的能量时 ， 我们也可以讨论波长 ， 因为这两者是相关的 。 所需要的能量是由两个能级之间的能量差决定的 ， 并且不同能级 ， 不同元素的不同能级都是不一样的 。 将元素结合成分子也会改变能量需求 。
光子的能量公式：
本文图片
公式中的h是普朗克常数（6.624×10^（-34） J·s ， 频率f是波长λ的函数 。
【氢原子光谱|浅谈光谱学和光谱测定法】频率公式：
本文图片
C是光速(3x108 ms-1) ，λ为波长 ， 单位是赫兹 。
一个电子要移动到一个更高的能级 ， 它必须获得能量 。 一种方法是吸收具有适当能量的光子 。 当电子吸收光子时 ， 相应的波长似乎从光谱中消失了 ， 因为它已经被吸收了 。 反之 ， 当电子移动到较低的能级时 ， 它释放出相同数量的能量 ， 这就产生了一条发射线 。 能级一般记为n ， 第一级能级为n = 2(对于原子核 ， n = 1) 。 从n = 2到n = 3需要吸收能量 ， 而从n = 3到n = 2则释放能量 。 回到我们的氢原子 ， 当它从太阳中的一个光子获得能量 ， 一个电子从n = 2跃迁到n = 3 ， 一条吸收线就形成了 。 当我们在燃烧器中加热氢时 ， 我们实际上用能量激活了电子 ， 然后它再次释放能量 。 当电子回到n = 2时 。 电子可以从n = 2跳到n = 3 ， 或者跳到n = 4, 5 ， 等等 。 下表概括了氢气所需的能量 。 这也被称为巴尔默系列 。
每一种不同的元素都有它自己独特的能级 ， 当一个元素原子结合到一个分子中时 ， 能级又会发生变化 。 正因为如此 ， 我们可以用光谱学来识别几乎任何元素或化合物 。
BY: Tim Trott
FY: margaret
如有相关内容侵权 ， 请在作品发布后联系作者删除
转载还请取得授权 ， 并注意保持完整性和注明出处
推荐阅读
- 王者|华为 P50“宝盒”：超光谱影像系统加持，移动影像当之无愧的王者
- 单元|华为P50宝盒发布，超光谱影像系统突破人眼可见边界
- 光谱|嫦娥四号：在月球背面发现陨石撞击残留物质，探究“月外来水”
- 科研人员|用高光谱遥感发现“物质指纹”
- Gaia|6190颗白矮星被光谱证认与测量
- 公司|必创科技：公司的合资公司无锡谱世界是一家聚焦光谱相机小型化、轻量化、集成化的高光谱系统解决方案的光电科技公司
- 功率|浅谈超声功率放大器的特点和原理
- 设计|浅谈 SPD 热脱扣和 SCB 电磁脱扣
- 卫星|我国成功发射太阳Hα光谱探测与双超平台科学技术试验卫星
- 探测|我国成功发射太阳Hα光谱探测与双超平台科学技术试验卫星