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【中图分类号】 O433.5
1 概述
科学发现来源于观察。科学家从他们的视觉、听觉、触觉、嗅觉与味觉中寻找元素，阐述理论并提出预言。起初，科学家们仅仅依靠自己的感觉来观察事物。随着科学的发展，科学家已创造出远远超过我们自身感知能力的仪器来提高观测能力。望远镜已经能够让天文学家看见更遥远的天空，并帮助我们更好地了解“天堂”。同样，显微镜使生物学家能观察到更小的微生物，帮助他们了解生物系统。天文学家们仅仅受限于他们能够制造的望远镜的尺寸以及地球大气层引起的折射效应。随着科学技术的发展，更大孔径的望远镜与建立在宇宙中的平台技术已经实现，天文学家已经能够观察宇宙的更深处，并进行越来越多的探索。遗憾的是，现在的处境已经很难再做进一步发展了。观察物体的大小已经达到物理方面的极限。该极限取决于光自身的特性。
2 光谱学
众所周知，光是一种电磁波。光由光子组成，每份光子带有一份能量。光具有波粒二象性。所有的波都有波长，波长是一个完整的震动循环周期的长度。对于光来说，波长范围非常广泛。正是由于波的特性限制了我们使用光来创造图像的能力。对于任何给定波长的光，只能构成比该波长值更大的图像。像染色体（包围着蛋白质分子的 DNA 分子）这样的高分子集合体才能通过成像被我们“看见”。
化学家、生物学家与微生物学家遇到的问题，是如何不真正地“看见”原子与分子就了解原子层与分子层发生了什么。即使我们不能得到原子与分子的图像，但我们能利用光来获得原子与分子的光谱。这是因为原子与分子能吸收或发射光子。通过观察被吸收或发射的光，我们就能了解相关的物种。通过观察这样的光来了解物质的技术称作光谱学。这是目前天文学家收集宇宙信息的唯一工具，是科学家研究原子与分子最有力的工具，也是理科和工科中应用最广泛的技术。
3 光谱学的种类
光谱学是一门研究光与物质相互作用的学科。这种研究原子与分子的相互作用包括两个方面：一是确定与原子、分子相互作用的光的波长，另一种是测量在特定的波长内有多少光被吸收或发射。因此，对于任何光谱测量来说，关键是要把光色散成光谱。对于这两个方面，各有两种观察方法：一种是观察被原子和分子吸收的光，另一种是观察被发射的光。这样就产生了四种不同的光谱学：吸收光谱学，发射光谱学，定性光谱学与定量光谱学。
3.1吸收光谱学
吸收光谱学研究的对象是被分子吸收的光。在这里，白光先穿过一个样品，再通过一个器件（例如一个棱镜）使之成为光谱。我们曾说过，白光是由所有不同波长的可见光混合而成的。当这样的光通过一个样品后，在理想条件下，样品中的电子会吸收特定波长的光子，使它们跃迁至其他能级。因此，通过棱镜的光会缺少这些特定波长的光。我们会看见一条夹有黑线的光谱，黑线所在位置对应的波长正是被样品吸收的波长。
3.2 发射光谱学
发射光谱学与吸收光谱学相反。样品中的电子通过各种方法（例如：放电，加热，激光等）被激发到很高的能级。当这些电子回到低能级时它们会发射光子。通过收集这些光子并使它们通过一个棱镜，就扩散成了光谱（图1）。然而这时，我们只能看见在黑色的区域里有几条彩色线条，彩线的位置相当于电子跃迁的能量。
3.3 定性光谱学
光谱学如此有效的原因之一是由于：一种化学物质的光谱对于该物质来说是独一无二的。相同的原子与分子总是具有同样的谱线。不同的物质具有不同的谱线。因此，物质的光谱可被看作该物质的指纹。定性光谱学被用来比对已知光谱，从而确定化学物质。例如氦元素的发现。第一次发现氦元素并不是在地球上，而是在太阳上！法国天文学家 Pierre-Jules-Cesar Janssen，于 1868年在印度观察日食时，探测到了新的太阳光谱谱线。当时还没有一种已知的元素能产生这样的谱线，所以他断定太阳包含了一种新元素。这引发了一场在地球上寻找新元素的浪潮。19 世纪末，人们在铀矿中找到了这种新元素，并根据希腊语中的“太阳”一词（Helios）将其命名为氦（Helium）。如今，光谱学广泛应用于化学物质的鉴定。
3.4 定量光谱学
要确定样品中有多少原子和分子，定量光谱学是最快速且最简单的方法之一。这是因为光与物质的相互作用是一种化学计量的相互作用。在某一温度时，同一时间内相同数量的光子总是被相同数量的原子或分子吸收或发射。这使光谱学成为少数几种能直接测量样品中原子或分子数量的技术之一。定量发射光谱学要求样品被加热到很高的温度致使电子发光。通常，都将样品送入火焰加热。但是，对于大多数分子化合物来说不符合实际应用。它通常被用来分析元素。一种定量发射光谱技术——火焰光谱法，已经被临床实验室用于测量血浆与尿液中的钠与钾的含量。
4 产生光谱的仪器
很多仪器都能被用来生成光谱，它们提供的信息差异非常大。它们共同具有的能力是将光色散成各种波长的部分。
4.1 分光镜
分光镜是一个最简单的光谱仪器。它的作用是吸收来自任何光源的光并把它分散成光谱以供肉眼观察。图 7 是一个简单分光镜的原理图。光源发出的光通过一个狭缝进入棱镜，在棱镜处光被展开成光谱。望远镜用来观察从棱镜射出的光。第三条臂上有一波长刻度尺，通过让白光照射进入将其与光谱叠加。图 3显示了通过分光镜的望远镜观察到的图像。分光镜能测定光源中具有哪些波长的光，但它们不能测定各个波长的光的数值。分光镜最普遍地应用于定性发射光谱学。
4.2 分光仪
分光仪是一种特殊的分光镜，它自带某种仪表能测量特定波长的光的数值（光子的数量）。因此，它被用来测定某一波长被发射或吸收的光子的数量。通过操作可以变换观察不同的波长，并测定每个波长从样品中吸收或发射的射线的数量。通过这种方法，我们能够得知样品中存在哪种波长的射线以及其对应的数值。分光仪广泛应用于天文学，它们被用来测定望远镜收集的光波。它是我们研究太阳系外宇宙化学成分的唯一信息来源。
4.3 分光光度计
尽管分光仪能测量进入仪器的光的数值，但它们主要用于发射光谱学。為了测量吸收光谱，需要确定光源的光强。拥有一个如此光源的仪器叫做分光光度计。通过该仪器，样品能在指定波长和光强的光源照射下进行分析。波长可能各不相同，样品吸收与发射射线的数量取决于每个波长。通过该信息我们知道，一种物质的吸收光谱能获得并用于进行定性与定量分析。
分光光度计测量从样品发射出去的光的数值，以此间接测量其他更有用的数据。其中之一是发射光（I）与入射光（Io）的比值，用百分比表示，被称作透射比（%T）。
要计算分光光度计的%T值很容易，这是一个不用经过电脑芯片处理的常用输出量。吸光率是一个更有用的指标，用 A或 Abs 表示，因为它直接关系到化学物质在吸光时的摩尔浓度。根据以下表达式可通过%T的值直接得到吸光率的值：
在计算%T 与吸光率时都做了假设。假设所有没被发射到探测器的光都被溶液中的化合物所吸收。存在另外两种可能性，一是光被溶液散射。样品中含有固体物质，或者雾状物质，难以用分光光度计分析。样品在流转过程中会受到影响（生物溶液、土壤溶液等）经常变得雾状。在用吸收分光光谱测量法分析前须进行额外步骤来处理。另一假设是光可能会被盛装溶剂的容器分散或吸收。必须仔细确认样品管对测量没有影响。样品管必须完全由纯净的玻璃制成。如果要在小于 350nm的范围测量，样品管必须用石英玻璃制成。普通玻璃对于小于 350nm波长的光是不透明的。
1 概述
科学发现来源于观察。科学家从他们的视觉、听觉、触觉、嗅觉与味觉中寻找元素，阐述理论并提出预言。起初，科学家们仅仅依靠自己的感觉来观察事物。随着科学的发展，科学家已创造出远远超过我们自身感知能力的仪器来提高观测能力。望远镜已经能够让天文学家看见更遥远的天空，并帮助我们更好地了解“天堂”。同样，显微镜使生物学家能观察到更小的微生物，帮助他们了解生物系统。天文学家们仅仅受限于他们能够制造的望远镜的尺寸以及地球大气层引起的折射效应。随着科学技术的发展，更大孔径的望远镜与建立在宇宙中的平台技术已经实现，天文学家已经能够观察宇宙的更深处，并进行越来越多的探索。遗憾的是，现在的处境已经很难再做进一步发展了。观察物体的大小已经达到物理方面的极限。该极限取决于光自身的特性。
2 光谱学
众所周知，光是一种电磁波。光由光子组成，每份光子带有一份能量。光具有波粒二象性。所有的波都有波长，波长是一个完整的震动循环周期的长度。对于光来说，波长范围非常广泛。正是由于波的特性限制了我们使用光来创造图像的能力。对于任何给定波长的光，只能构成比该波长值更大的图像。像染色体（包围着蛋白质分子的 DNA 分子）这样的高分子集合体才能通过成像被我们“看见”。
化学家、生物学家与微生物学家遇到的问题，是如何不真正地“看见”原子与分子就了解原子层与分子层发生了什么。即使我们不能得到原子与分子的图像，但我们能利用光来获得原子与分子的光谱。这是因为原子与分子能吸收或发射光子。通过观察被吸收或发射的光，我们就能了解相关的物种。通过观察这样的光来了解物质的技术称作光谱学。这是目前天文学家收集宇宙信息的唯一工具，是科学家研究原子与分子最有力的工具，也是理科和工科中应用最广泛的技术。
3 光谱学的种类
光谱学是一门研究光与物质相互作用的学科。这种研究原子与分子的相互作用包括两个方面：一是确定与原子、分子相互作用的光的波长，另一种是测量在特定的波长内有多少光被吸收或发射。因此，对于任何光谱测量来说，关键是要把光色散成光谱。对于这两个方面，各有两种观察方法：一种是观察被原子和分子吸收的光，另一种是观察被发射的光。这样就产生了四种不同的光谱学：吸收光谱学，发射光谱学，定性光谱学与定量光谱学。
3.1吸收光谱学
吸收光谱学研究的对象是被分子吸收的光。在这里，白光先穿过一个样品，再通过一个器件（例如一个棱镜）使之成为光谱。我们曾说过，白光是由所有不同波长的可见光混合而成的。当这样的光通过一个样品后，在理想条件下，样品中的电子会吸收特定波长的光子，使它们跃迁至其他能级。因此，通过棱镜的光会缺少这些特定波长的光。我们会看见一条夹有黑线的光谱，黑线所在位置对应的波长正是被样品吸收的波长。
3.2 发射光谱学
发射光谱学与吸收光谱学相反。样品中的电子通过各种方法（例如：放电，加热，激光等）被激发到很高的能级。当这些电子回到低能级时它们会发射光子。通过收集这些光子并使它们通过一个棱镜，就扩散成了光谱（图1）。然而这时，我们只能看见在黑色的区域里有几条彩色线条，彩线的位置相当于电子跃迁的能量。
3.3 定性光谱学
光谱学如此有效的原因之一是由于：一种化学物质的光谱对于该物质来说是独一无二的。相同的原子与分子总是具有同样的谱线。不同的物质具有不同的谱线。因此，物质的光谱可被看作该物质的指纹。定性光谱学被用来比对已知光谱，从而确定化学物质。例如氦元素的发现。第一次发现氦元素并不是在地球上，而是在太阳上！法国天文学家 Pierre-Jules-Cesar Janssen，于 1868年在印度观察日食时，探测到了新的太阳光谱谱线。当时还没有一种已知的元素能产生这样的谱线，所以他断定太阳包含了一种新元素。这引发了一场在地球上寻找新元素的浪潮。19 世纪末，人们在铀矿中找到了这种新元素，并根据希腊语中的“太阳”一词（Helios）将其命名为氦（Helium）。如今，光谱学广泛应用于化学物质的鉴定。
3.4 定量光谱学
要确定样品中有多少原子和分子，定量光谱学是最快速且最简单的方法之一。这是因为光与物质的相互作用是一种化学计量的相互作用。在某一温度时，同一时间内相同数量的光子总是被相同数量的原子或分子吸收或发射。这使光谱学成为少数几种能直接测量样品中原子或分子数量的技术之一。定量发射光谱学要求样品被加热到很高的温度致使电子发光。通常，都将样品送入火焰加热。但是，对于大多数分子化合物来说不符合实际应用。它通常被用来分析元素。一种定量发射光谱技术——火焰光谱法，已经被临床实验室用于测量血浆与尿液中的钠与钾的含量。
4 产生光谱的仪器
很多仪器都能被用来生成光谱，它们提供的信息差异非常大。它们共同具有的能力是将光色散成各种波长的部分。
4.1 分光镜
分光镜是一个最简单的光谱仪器。它的作用是吸收来自任何光源的光并把它分散成光谱以供肉眼观察。图 7 是一个简单分光镜的原理图。光源发出的光通过一个狭缝进入棱镜，在棱镜处光被展开成光谱。望远镜用来观察从棱镜射出的光。第三条臂上有一波长刻度尺，通过让白光照射进入将其与光谱叠加。图 3显示了通过分光镜的望远镜观察到的图像。分光镜能测定光源中具有哪些波长的光，但它们不能测定各个波长的光的数值。分光镜最普遍地应用于定性发射光谱学。
4.2 分光仪
分光仪是一种特殊的分光镜，它自带某种仪表能测量特定波长的光的数值（光子的数量）。因此，它被用来测定某一波长被发射或吸收的光子的数量。通过操作可以变换观察不同的波长，并测定每个波长从样品中吸收或发射的射线的数量。通过这种方法，我们能够得知样品中存在哪种波长的射线以及其对应的数值。分光仪广泛应用于天文学，它们被用来测定望远镜收集的光波。它是我们研究太阳系外宇宙化学成分的唯一信息来源。
4.3 分光光度计
尽管分光仪能测量进入仪器的光的数值，但它们主要用于发射光谱学。為了测量吸收光谱，需要确定光源的光强。拥有一个如此光源的仪器叫做分光光度计。通过该仪器，样品能在指定波长和光强的光源照射下进行分析。波长可能各不相同，样品吸收与发射射线的数量取决于每个波长。通过该信息我们知道，一种物质的吸收光谱能获得并用于进行定性与定量分析。
分光光度计测量从样品发射出去的光的数值，以此间接测量其他更有用的数据。其中之一是发射光（I）与入射光（Io）的比值，用百分比表示，被称作透射比（%T）。
要计算分光光度计的%T值很容易，这是一个不用经过电脑芯片处理的常用输出量。吸光率是一个更有用的指标，用 A或 Abs 表示，因为它直接关系到化学物质在吸光时的摩尔浓度。根据以下表达式可通过%T的值直接得到吸光率的值：
在计算%T 与吸光率时都做了假设。假设所有没被发射到探测器的光都被溶液中的化合物所吸收。存在另外两种可能性，一是光被溶液散射。样品中含有固体物质，或者雾状物质，难以用分光光度计分析。样品在流转过程中会受到影响（生物溶液、土壤溶液等）经常变得雾状。在用吸收分光光谱测量法分析前须进行额外步骤来处理。另一假设是光可能会被盛装溶剂的容器分散或吸收。必须仔细确认样品管对测量没有影响。样品管必须完全由纯净的玻璃制成。如果要在小于 350nm的范围测量，样品管必须用石英玻璃制成。普通玻璃对于小于 350nm波长的光是不透明的。