簡介： 光譜學(xué)是研究能量和物質(zhì)之間相互作用作為波長的函數(shù)。不同的化學(xué)元素有其不同的發(fā)射線特征，故而可以通過分析光譜線來推斷未知物體的化學(xué)成分。光子的能量與其波長相關(guān)，因此可用光譜學(xué)來鑒別任何化學(xué)元素或化合物。

光譜學(xué)是研究能量和物質(zhì)之間相互作用作為波長的函數(shù)。不同的化學(xué)元素有其不同的發(fā)射線特征，故而可以通過分析光譜線來推斷未知物體的化學(xué)成分。光子的能量與其波長相關(guān)，因此可用光譜學(xué)來鑒別任何化學(xué)元素或化合物。

在我們認(rèn)識光譜學(xué)是什么之前我們先來看一看什么是光。光屬于電磁波（EM）的一種。

電磁圖譜

這篇文章我們只需要集中于可見光。

光透過三棱鏡的動畫演示

早在公元40世紀(jì)，塞納卡便發(fā)現(xiàn)了光透過棱鏡的色散現(xiàn)象。不過知道1666年牛頓提出后光由不同顏色組成的概念才變得廣為流傳。1802年，英國化學(xué)家威廉·海德·沃拉斯頓從一個玻璃棱鏡觀察到了光譜中的暗線(吸收線)。后來，在1814年，德國物理學(xué)家約瑟夫·馮·夫瑯和費(fèi)獨(dú)立地重新發(fā)現(xiàn)了這些譜線，并開始系統(tǒng)的研究這些波長的特征。他總共繪制了570多條線，從A排到K，更弱一些的線用其他字母表示。

可見光譜中的氫吸收線

如果你觀察透過三棱鏡觀察太陽光譜，你也許能觀察到上圖。這些被稱為夫瑯和費(fèi)線或者吸收線。

1859年，古斯塔夫·羅伯特·基爾霍夫和羅伯特·本生通過觀察元素燃燒時所形成的光譜指出，每種化學(xué)元素的放射線都有獨(dú)特的“特征”，并推斷太陽光譜中的暗線是由太陽上層元素的吸收造成的。還有一些事被地球大氣中的氧分子吸收。比如用分光儀觀察被燃燒的氫氣，我們能觀察到一組不同的放射線。

氫的放射線

比較一下這兩個圖，我們不難看出這兩種線是相匹配的。在做實(shí)驗(yàn)的時候，基爾霍夫和本生觀察太陽通過高溫氣體(來自本生燈)時的光譜并比較不同元素時發(fā)出的光譜。本生燈正是在這個過程中發(fā)明的。

基爾霍夫-本生實(shí)驗(yàn)

總的來說，在太陽光譜中有超過1000條可觀測到的夫瑯和費(fèi)譜線，因?yàn)槊糠N元素都有自己的特征，我們可以通過分析譜線來推斷太陽或任何未知物體的化學(xué)成分。

那么是什么造成了這種現(xiàn)象呢？

電子能級

原子由質(zhì)子、中子和電子組成。質(zhì)子帶正電荷，電子帶負(fù)電荷，中子不帶電荷(電中性)。丹麥物理學(xué)家尼爾斯·玻爾設(shè)計了一個有助于解釋吸收線和發(fā)射線的原子模型。在他的模型中，質(zhì)子和中子在原子核中，電子圍繞原子核運(yùn)行。值得注意的一點(diǎn)是，在這個模型中,電子只允許在距離原子核的特定距離軌道上運(yùn)行,就像行星只能在一定的距離軌道上環(huán)繞太陽一樣。離原子核越遠(yuǎn)，需要的能量就越多。每一個“距離”都被稱為一個能級。電子可以在不同能級之間移動，但它需要互換能量。當(dāng)我們討論光子的能量時，我們也可以討論波長，因?yàn)檫@兩者是相關(guān)的。所需要的能量是由兩個能級之間的能量差決定的，并且不同能級，不同元素的不同能級都是不一樣的。將元素結(jié)合成分子也會改變能量需求。

光子的能量公式：

公式中的h是普朗克常數(shù)（6.624×10^（-34） J·s，頻率f是波長λ的函數(shù)。

頻率公式：

C是光速(3x108?ms-1)， λ為波長，單位是赫茲。

一個電子要移動到一個更高的能級，它必須獲得能量。一種方法是吸收具有適當(dāng)能量的光子。當(dāng)電子吸收光子時，相應(yīng)的波長似乎從光譜中消失了，因?yàn)樗呀?jīng)被吸收了。反之，當(dāng)電子移動到較低的能級時，它釋放出相同數(shù)量的能量，這就產(chǎn)生了一條發(fā)射線。能級一般記為n，第一級能級為n = 2(對于原子核，n = 1)。從n = 2到n = 3需要吸收能量，而從n = 3到n = 2則釋放能量?；氐轿覀兊臍湓樱?dāng)它從太陽中的一個光子獲得能量，一個電子從n = 2躍遷到n = 3，一條吸收線就形成了。當(dāng)我們在燃燒器中加熱氫時，我們實(shí)際上用能量激活了電子，然后它再次釋放能量。當(dāng)電子回到n = 2時。電子可以從n = 2跳到n = 3，或者跳到n = 4, 5，等等。下表概括了氫氣所需的能量。這也被稱為巴爾默系列。

每一種不同的元素都有它自己獨(dú)特的能級，當(dāng)一個元素原子結(jié)合到一個分子中時，能級又會發(fā)生變化。正因?yàn)槿绱?，我們可以用光譜學(xué)來識別幾乎任何元素或化合物。

BY:??Tim Trott

FY: margaret

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