光谱和光谱分析

2005/1/7/16:32    光是由原子内部的电子受到激发后产生的。由于每一种元素的原子发出的光都具有自己的特征，因此，研究物体的发光情况，就可以了解它含有哪些元素，即了解它的化学组成。实际从事这些研究时，要观察物质的光谱，进行光谱分析。

　　发射光谱

    由发光物体直接产生的光谱叫做发射光谱。

　　炽热的固体、液体及高压气体的光谱，是由连续分布的一切波长的光组成的，这种光谱叫做连续谱。

　　稀薄气体发光，会产生另一种光谱，是由一些不连续的亮线组成的。这种光谱叫做线状谱。

　　观察气体的光谱，可以使用光谱管（图8-12），它是一支中间比较细的封闭的玻璃管，里面装有低压气体，管的两端有两个电极。把两个电极接到高压电源上。当两个电极通过稀薄气体放电时，气体就发出一定颜色的光。这光不是单色光，用分光镜可以看到它的光谱。分光镜的构造如图8-13所示。它是由平行光管A、三棱镜P和望远镜筒B组成的。平行光管A的前方有一个宽度可以调节的狭缝S。从狭缝射入的光线经透镜L1折射后，变成平行光线射到三棱镜P上。不同频率的光经过三棱镜沿不同的折射方向射出，并在透镜L2后方的平面MN上分别会聚成不同颜色的像（谱线）。通过望远镜筒B的目镜L3，就看到了放大的光谱像。如果在MN那里放上照相底片，就可以摄下光谱的像。具有这种装置的光谱仪器叫做摄谱仪。

　　把固态或液态物质放到煤气灯的火焰或电弧中去烧，使它们气化后发光，就可以从分光镜中看到它们的线状谱。
　　从实验知道，各种元素都有一定的线状谱，元素不同，线状谱也不同。所以，线状谱又叫原子光谱。每种元素的原子只能发出某些具有特定波长的光谱线，这些谱线叫做那种元素的特征谱线。

　　吸收光谱

    让炽热固体发出的白光通过较冷的钠蒸气（在酒精灯芯上放一些食盐，食盐受热分解就产生钠蒸气），再用分光镜来观察，在连续谱的背景上就出现了两条挨得很近的暗线，这两条暗线的波长恰好跟钠蒸气的发射光谱中两条黄色亮线相同。进一步的实验表明，白光通过每一种气体时，光谱中都会产生一组暗线，每条暗线的波长，都跟那种气体原子的一条特征谱线相对应。这就表明，每种气体都能从通过它的白光中吸收跟它的特征谱线波长相同的那些光，使白光的连续谱中出现暗线。因此，我们把连续谱中某些波长的光被物质吸收后产生的光谱叫做吸收光谱。通常在吸收光谱中看到的特征谱线比线状谱中的要少一些。

　　光谱分析

    由于每种元素都有自己的特征谱线，因此可以根据光谱来鉴别物质和确定它的化学组成。这种方法叫做光谱分析。做光谱分析时，可以利用发射光谱，也可以利用吸收光谱。这种方法的优点是非常灵敏而且迅速。某种元素在物质中的含量达10-10克，就可以从光谱中发现它的特征谱线，因而能够把它检查出来。光谱分析在科学技术中有广泛的应用。例如，在检查半导体材料硅和锗是不是达到了高纯度的要求时，就要用到光谱分析。在历史上，光谱分析还帮助人们发现了许多新元素。例如，铷和铯就是从光谱中看到了以前所不知道的特征谱线而被发现的。光谱分析对于研究天体的化学组成也很有用。19世纪初，在研究太阳光谱时，发现它的连续谱中有许多暗线（参看彩图10，其中只有一些主要暗线）。最初不知道这些暗线是怎样形成的，后来人们了解了吸收光谱的成因，才知道这是太阳内部发出的强光经过温度比较低的太阳大气层时产生的吸收光谱。仔细分析这些暗线，把它跟各种原子的特征谱线对照，人们就知道了太阳大气层中含有氢、氦、氮、碳、氧、铁、镁、硅、钙、钠等几十种元素。