光譜儀器及技術的應用

光波是由原子內部運動的電子產生的。各種物質的原子內部電子的運動情況不同，所以它們發射的光波也不同。研究不同物質的發光和吸收光的情況，有重要的理論和實際意義，已成為一門專門的學科--光譜學。發射光譜物體發光直接產生的光譜叫做發射光譜。發射光譜有兩種類型：連續光譜和明線光譜。連續分布的包含有從紅光到紫光各種色光的光譜叫做連續光譜。熾熱的固體、液體和高壓氣體的發射光譜是連續光譜。例如電燈絲發出的光、熾熱的鋼水發出的光都形成連續光譜。

　　只含有一些不連續的亮線的光譜叫做明線光譜。明線光譜中的亮線叫做譜線，各條譜線對應于不同波長的光。稀薄氣體或金屬的蒸氣的發射光譜是明線光譜。明線光譜是由游離狀態的原子發射的，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的封閉的玻璃管，里面裝有低壓氣體，管的兩端有兩個電極。把兩個電極接到高壓電源上，管里稀薄氣體發生輝光放電，產生一定顏色的光。

　　觀察固態或液態物質的原子光譜，可以把它們放到煤氣燈的火焰或電弧中去燒，使它們氣化后發光，就可以從分光鏡中看到它們的明線光譜。

　　實驗證明，原子不同，發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和研究原子的結構。

　　吸收光譜高溫物體發出的白光(其中包含連續分布的一切波長的光)通過物質時，某些波長的光被物質吸收后產生的光譜，叫做吸收光譜。例如，讓弧光燈發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，食鹽受熱分解就會產生鈉氣)，然后用分光鏡來觀察，就會看到在連續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射光譜中的一條明線相對應。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發出的光。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，因此可以根據光譜來鑒別物質和確定它的化學組成，這種方法叫做光譜分析。做光譜分析時，可以利用發射光譜，也可以利用吸收光譜。這種方法的優點是非常靈敏而且迅速。某種元素在物質中的含量達10-10克，就可以從光譜中發現它的特征譜線，因而能夠把它檢查出來。光譜分析在科學技術中有廣泛的應用：

　　在檢查半導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現了許多新元素，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現的;

　　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，發現它的連續光譜中有許多暗線。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。

　　復色光經過色散系統分光后按波長的大小依次排列的圖案，如太陽光經過分光后形成按紅橙黃綠藍靛紫次序連續分布的彩色光譜。有關光譜的結構，發生機制，性質及其在科學研究、生產實踐中的應用已經累積了很豐富的知識并且構成了一門很重要的學科～光譜學。光譜學的應用非常廣泛，每種原子都有其獨特的光譜，猶如人們的“指紋”一樣各不相同。它們按一定規律形成若干光譜線系。原子光譜線系的性質與原子結構是緊密相聯的，是研究原子結構的重要依據。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。光譜分析方法具有極高的靈敏度和準確度。在地質勘探中利用光譜分析就可以檢驗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成分以及校定長度的標準原器等。

　　復色光經過色散系統(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，太陽光經過三棱鏡后形成按紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫次序連續分布的彩色光譜。紅色到紫色，相應于波長由7，700-3，900埃的區域，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，按波長區域不同，光譜可分為紅外光譜、可見光譜和紫外光譜;按產生的本質不同，可分為原子光譜、分子光譜;按產生的方式不同，可分為發射光譜、吸收光譜和散射光譜;按光譜表觀形態不同，可分為線光譜、帶光譜和連續光譜。