什么是光谱？如何表示光谱？

一．光谱学和光谱

光谱学(spectroscopy)是通过物质与不同频率(或波长)的电磁波之间的相互作用来研究其性质的一种方法。它是研究组成物质的微观粒子(原子或分子)的一种重要手段。但是，在光的作用下并不是直接观察到微观粒子这个“躯体”，而是观察到它的“灵魂”，即光与不同自由度的微观粒子之间的相互作用，反映的是微观粒子的运动状态。这种相互作用会给出不同的“像”，它随光的频率和微观粒子而变化，这就是光谱(spectrum)。

光谱学是一种通用的基础科学研究方法，它可以用于提取所需要的诸如电子能级、分子振动态和转动态、粒子结构和对称性、跃迁概率等信息，这些信息对于物理学、化学、生物医学、天文学和环境科学等领域的微观粒子研究极其重要；光谱学也是一种实用的应用工具，它可以用于环境监测、工业检验、临床医学、对地观测等诸多领域。

什么是光谱？如何表示光谱？

光谱是按频率由小到大(或由大到小)的顺序排列的电磁辐射强度图案，它反映了一个物理系统的能级结构状况。通常可以用一维曲线表示光谱，纵坐标是辐射强度(I)、吸光度[-lg（I/I0）]或透射率(I/I0)·横坐标可以是频率(frequency)、波数(wavenumber)、波长(wavelength)或能量(energy)，典型的光谱图如下图所示。

在光谱图上通常会出现多个峰，每个独立的峰一般由微观粒子在两能级之间的跃迁形成，是电磁波与物质相互作用的结果，其中峰的位置(ν1)、峰的半宽度(△ν)和峰的强度(I1)都是用于定性和定量分析的有用特征。但是，实际的光谱由于谱线展宽、峰重叠等因素的影响会显得更为复杂。

如上图所示，按照频率由大到小的顺序，可以将电磁波分为γ射线、X射线、紫外光、可见光、红外光、微波和无线电波几个区域，它们来源于不同类型的能级间跃迁，反映了电磁波与物质的不同的相互作用结果。

一般来说，Y射线由原子核能级之间的跃迁引起，X射线由内层电子能级之间的跃迁引起，紫外光和可见光由外层电子能级之间的跃迁引起，近、中红外光由分子振动能级之间的跃迁引起，远红外光和微波由分子转动能级之间的跃迁引起，无线电波主要由电子自旋和核磁共振能级之间的跃迁引起。

在光谱的表达中，光谱横坐标的选择会因光谱区域而异。比如，通常在无线电波区使用MHz或cm ^-1^ ，在红外光区使用μm或cm ^-1^ ，在紫外光区和可见光区使用nm，而在X射线区使用keV。

事实上，不同光谱横坐标之间是可以相互转换的，频率、波数、波长和能量之间存在如下简单的换算关系：

其中，

从上面的换算关系中可以看出：

(1)波数和能量均与频率成正比，如果取频率单位为Hz、波数单位为cm ^-1^ 、能量单位为eV(1J≈6.24150×10^18^eV)，那么它们之间的转换因子如下表所示。

表 不同光谱单位之间的转换因子

单位	Hz	cm^-1^	eV
1Hz	1	3.33565×10^-11^	4.13566×10^-15^
1cm^-1^	2.99792×10^10^	1	1.23984×10^-4^
1eV	2.41799×10^14^	8.06556×10^3^	1

(2)波长与频率成反比，如果频率等间隔分布，则对应的波长间隔将随频率的增加而减小，这提醒我们将横坐标在波长和频率间进行转换时可能引起光谱形状的变化。

利用上面的换算关系并结合电磁波能量与光谱的关系，可以进一步认识到：内层电子能级间隔约10^3^eV量级，而外层电子能级间隔约10eV量级；分子转动能级间隔约10^-3^eV(约10cm ^-1^ )量级，而分子振动能级间隔约10^-1^eV量级。根据这些能够对不同光谱区域的能量量级做一个初步的判断。

二．光谱测量

光谱是光与物质相互作用的一种表现形式，这种相互作用会影响光，也会影响物质。光谱测量通常包括两个过程——激发和探测。通过一定的措施(如电磁辐射、高温燃烧、化学反应等)激发样品，然后探测通过样品后的特征光信号。

根据所测量的特征光信号的形式，可以把光谱分为发射光谱和吸收光谱。

发射光谱测量的是激发导致的从样品中发射出来的特征光信号。通过激发使样品分子或原子处于高能级，然后在向低能级跃迁的过程中向外发射光信号，如荧光光谱、磷光光谱、拉曼光谱等均属于发射光谱。通常，发射光谱中特征光的出射方向会偏离原入射光方向，而且特征光中会包含除入射光外的新的频率(或波长)。

吸收光谱测量的是外部光通过样品后被样品改变过的光信号，它测量的是不同频(或波长)下光的吸收，样品的能级结构决定了它只能对特定频率(或波长)处的光产生较强的吸收。通常，吸收光谱不会产生除入射光以外的新的频率(或波长)，其纵坐标可用透射率I/I0或吸光度-Ig(I/I0)表示。

一般情况下，光谱检测系统包括三个部分：光源、色散组件和探测器。光源用于激发样品，探测器用于记录特征光信号，而色散单元是光谱检测系统中的核心部件，它的主要功能是把复色光分解为单色光以便于按频率(或波长)顺序对光信号进行记录。实际的光谱检测系统可能还需要专门的样品池或样品室，以用于装盛样品、定量分析或防止外部环境对光谱测量产生影响。

事实上在光谱测量时，除了样品本身会受外部扰动影响外，光谱检测系统的光源和探测器也会受到外部扰动的影响，所以我们都是在有外部扰动的情况下测量光谱，换句话说，光谱中总是包含外部扰动信息。但是，这种扰动并不总是有害的，在已知扰动的情况下所测得的光谱包含待测样品更为完整的信息。

三．光谱技术的应用

光谱技术究竟有什么用呢？

概括地说，光谱技术的用途主要有鉴别物质、测量物量和精密测量。

构成物质的原子或分子会发射或吸收大量的特征谱线，而不同原子或分子的特征是不一样的，这样利用光谱就能区分不同的物质。更进一步，光谱能够详细地研究原子或分子结构，比如基态和激发态下的电子结构等，所以光谱技术是研究物质世界的一种重要手段。在原子物理上，氢原子能级结构的确定依靠的是光谱技术；在化学上，元素周期的大部分元素都是利用光谱发现的；在生物学上，利用光谱能够研究蛋白质大分子的构型；在日常生活中，利用光谱可以进行宝石鉴定、食品有害物质检测、水果成分检测等。

光谱也能够用于物质含量的精确测量。利用物质的发射光谱可以轻易地测量百万分之一(ppm，parts per million)的物质含量，而现在的光谱技术的测量极限远优于百万分之一。利用光谱的高灵敏度，可以用于水、食品、水果等物质中微量元素的检测，其检测精度不逊于一般的化学方法，但是检测速度上却比化学方法快很多。

光谱除了上述两方面的应用外，还有一些其他的应用，它们一般是某些因素会导致光谱变化，通过光谱测量检测这些因素。比如：在天文学上，利用光谱的红移或蓝移效应可以检测星体相对于地球的移动速度，利用谱线的多普勒展宽大小可以估计星体的表面温度；在化学上，利用飞秒光谱可以探测化学反应过程。

来源：小小光学08

审核编辑：汤梓红