基本介紹
- 中文名：色光譜
- 外文名：Light spectrum
- 所屬學科：光譜學
- 波長分類：紅外光譜、可見光譜和紫外光譜
- 本質分類：原子光譜、分子光譜
分光鏡的構造原理,發射光譜,吸收光譜,光譜分析,彩色光譜及光譜學,光譜分類,自旋,光譜形式,線狀光譜,帶狀光譜,連續光譜,吸收光譜,
分光鏡的構造原理
分光鏡觀察光譜要用分光鏡，這裡我們先講一下分光鏡的構造原理．圖6-18是分光鏡的構造原理示意圖．它是由平行光管A、三稜鏡P和望遠鏡筒B組成的．平行光管A的前方有一個寬度可以調節的狹縫S，它位於透鏡L1的焦平面①處．從狹縫射入的光線經透鏡L1折射後，變成平行光線射到三稜鏡P上．不同顏色的光經過三稜鏡沿不同的折射方向射出，並在透鏡L2後方的焦平面MN上分別會聚成不同顏色的像（譜線）．通過望遠鏡筒B的目鏡L3，就看到了放大的光譜像．如果在MN那裡放上照相底片，就可以攝下光譜的像．具有這種裝置的光譜儀器叫做攝譜儀．
發射光譜
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．例如電燈絲髮出的光、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，各條譜線對應於不同波長的光．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，裡面裝有低壓氣體，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，使它們氣化後發光，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．彩圖7就是幾種元素的明線光譜．每種原子只能發出具有本身特徵的某些波長的光，因此，明線光譜的譜線叫做原子的特徵譜線．利用原子的特徵譜線可以鑑別物質和研究原子的結構．
吸收光譜
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後產生的光譜，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），然後用分光鏡來觀察，就會看到在連續光譜的背景中有兩條挨得很近的暗線（見彩圖8．分光鏡的分辨本領不夠高時，只能看見一條暗線）．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），也是原子的特徵譜線，只是通常在吸收光譜中看到的特徵譜線比明線光譜中的少．
光譜分析
光譜分析由於每種原子都有自己的特徵譜線，因此可以根據光譜來鑑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徵譜線，因而能夠把它檢查出來．光譜分析在科學技術中有廣泛的套用．例如，在檢查半導體材料矽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徵譜線而被發現的．光譜分析對於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（參看彩圖9，其中只有一些主要暗線）．最初不知道這些暗線是怎樣形成的，後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徵譜線對照，人們就知道了太陽大氣層中含有氫、氦、氮、碳、氧、鐵、鎂、矽、鈣、鈉等幾十種元素．
彩色光譜及光譜學
複色光經過色散系統分光後按波長的大小依次排列的圖案，如太陽光經過分光後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、生產實踐中的套用已經累積了很豐富的知識並且構成了一門很重要的學科～光譜學．光譜學的套用非常廣泛，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．套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．
複色光經過色散系統（如稜鏡、光柵）分光後，按波長（或頻率）的大小依次排列的圖案。例如，太陽光經過三稜鏡後形成按紅、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。
光譜分類
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。
自旋
量子力學中稱為“自旋”的量有時被認為所有物理量中最“量子力學”的。這樣，我們對之稍微多加注意是明智的。什麼是自旋？它本質上是粒子旋轉的度量。“自旋”這個術語暗示某種像板球或棒球自旋的東西。讓我們回憶一下角動量的概念，正如能量和動量一樣，它是守恆的只要物體不受摩擦力或其他力的干擾，它的角動量就不隨時間改變。量子力學的自旋的確是如此，但是我們這裡開心的是單獨粒子的“自旋”，而不是大量的單獨粒子圍繞著它們共同質心的軌道運動（這正是板球的情形）。物理學的一個顯著事實是，自然中發現的大多數粒子在這種意義下的確是在“自旋”，每種粒子都有自己固有的自旋的大小8。然而，正如下面要看到的，單獨量子力學粒子的自旋有一種我們絕不能從自旋著的板球等等的經驗所能預料到的某種特殊的性質。
首先，對於每一特殊類型的粒子，其自旋的大小總是一樣的。只有自旋的軸的方向可以（以一種我們就要講到的非常奇怪的方式）改變。這和板球的情形形成全然的對比，板球可依出球方式的不同具有任意大小任意方向的自旋，對於質子，中子，電子，自旋大小是原先允許的一個原子的量子化的角動量的最小正值的一半。
每一個粒子都不自旋的對象不允許有這個角動量值。它只能是由自旋為粒子自身的固有的性質而引起的（也就是說，不是因為它的“部分”圍繞某種中心的公轉引起的）。
光譜形式
光譜分如下幾種形式。
線狀光譜
由狹窄譜線組成的光譜。單原子氣體或金屬蒸氣所發的光波均有線狀光譜，故線狀光譜又稱原子光譜。當原子能量從較高能級向較低能級躍遷時，就輻射出波長單一的光波。嚴格說來這種波長單一的單色光是不存在的，由於能級本身有一定寬度和都卜勒效應等原因，原子所輻射的光譜線總會有一定寬度（見譜線增寬）；即在較窄的波長範圍內仍包含各種不同的波長成分。原子光譜按波長的分布規律反映了原子的內部結構，每種原子都有自己特殊的光譜系列。通過對原子光譜的研究可了解原子內部的結構，或對樣品所含成分進行定性和定量分析。
帶狀光譜
由一系列光譜帶組成，它們是由分子所輻射，故又稱分子光譜。利用高解析度光譜儀觀察時，每條譜帶實際上是由許多緊挨著的譜線組成。帶狀光譜是分子在其振動和轉動能級間躍遷時輻射出來的，通常位於紅外或遠紅外區。通過對分子光譜的研究可了解分子的結構。
連續光譜
包含一切波長的光譜，赤熱固體所輻射的光譜均為連續光譜。同步輻射源（見電磁輻射）可發出從微波到X射線的連續光譜，X射線管發出的軔致輻射部分也是連續譜。
吸收光譜
具有連續譜的光波通過物質樣品時，處於基態的樣品原子或分子將吸收特定波長的光而躍遷到激發態，於是在連續譜的背景上出現相應的暗線或暗帶，稱為吸收光譜。每種原子或分子都有反映其能級結構的標識吸收光譜。研究吸收光譜的特徵和規律是了解原子和分子內部結構的重要手段。吸收光譜首先由J.V.夫琅和費在太陽光譜中發現（稱夫琅和費線），並據此確定了太陽所含的某些元素。
具體的元素光譜：紅色代表硫元素,藍色代表氧元素,而綠色代表氫元素。
