光譜檢測

光譜

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．下面簡單介紹一些關於光譜的知識．

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折射后，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．

連續分佈的包含有從紅光到紫光各種色光的光譜叫做連續光譜（彩圖6）．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（彩圖7）．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．明線光譜是由遊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（圖6-19），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．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（其中包含連續分佈的一切波長的光）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．

光譜分析由於每種原子都有自己的特徵譜線，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應用．例如，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、硅、鈣、鈉等幾十種元素．