原子光谱解读

光谱『spectrum』光波是由原子内部运动的电子产生的．各种物质的原子内部电子的运动情况不同，所以它们发射的光波也不同．研究不同物质的发光和吸收光的情况，有重要的理论和实际意义，已成为一门专门的学科——光谱学．下面简单介绍一些关于光谱的知识．分光镜观察光谱要用分光镜，这里我们先讲一下分光镜的构造原理．图6-18是分光镜的构造原理示意图．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，它位于透镜L1的焦平面①处．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．不同颜色的光经过三棱镜沿不同的折射方向射出，并在透镜L2后方的焦平面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．发射光谱物体发光直接产生的光谱叫做发射光谱．发射光谱有两种类型：连续光谱和明线光谱．连续分布的包含有从红光到紫光各种色光的光谱叫做连续光谱（彩图6）．炽热的固体、液体和高压气体的发射光谱是连续光谱．例如电灯丝发出的光、炽热的钢水发出的光都形成连续光谱．只含有一些不连续的亮线的光谱叫做明线光谱（彩图7）．明线光谱中的亮线叫做谱线，各条谱线对应于不同波长的光．稀薄气体或金属的蒸气的发射光谱是明线光谱．明线光谱是由游离状态的原子发射的，所以也叫原子光谱．观察气体的原子光谱，可以使用光谱管（图6-19），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，管里稀薄气体发生辉光放电，产生一定颜色的光．观察固态或液态物质的原子光谱，可以把它们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明线光谱．实验证明，原子不同，发射的明线光谱也不同，每种元素的原子都有一定的明线光谱．彩图7就是几种元素的明线光谱．每种原子只能发出具有本身特征的某些波长的光，因此，明线光谱的谱线叫做原子的特征谱线．利用原子的特征谱线可以鉴别物质和研究原子的结构．吸收光谱高温物体发出的白光（其中包含连续分布的一切波长的光）通过物质时，某些波长的光被物质吸收后产生的光谱，叫做吸收光谱。

例如，让弧光灯发出的白光通过温度较低的钠气（在酒精灯的灯心上放一些食盐，食盐受热分解就会产生钠气），然后用分光镜来观察，就会看到在连续光谱的背景中有两条挨得很近的暗线（见彩图8．分光镜的分辨本领不够高时，只能看见一条暗线）．这就是钠原子的吸收光谱．值得注意的是，各种原子的吸收光谱中的每一条暗线都跟该种原子的发射光谱中的一条明线相对应．这表明，低温气体原子吸收的光，恰好就是这种原子在高温时发出的光．因此，吸收光谱中的谱线（暗线），也是原子的特征谱线，只是通常在吸收光谱中看到的特征谱线比明线光谱中的少．光谱分析由于每种原子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．十九世纪初，在研究太阳光谱时，发现它的连续光谱中有许多暗线（参看彩图9，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．复色光经过色散系统分光后按波长的大小依次排列的图案，如太阳光经过分光后形成按红橙黄绿蓝靛紫次序连续分布的彩色光谱．有关光谱的结构，发生机制，性质及其在科学研究、生产实践中的应用已经累积了很丰富的知识并且构成了一门很重要的学科～光谱学．光谱学的应用非常广泛，每种原子都有其独特的光谱，犹如人们的“指纹”一样各不相同．它们按一定规律形成若干光谱线系．原子光谱线系的性质与原子结构是紧密相联的，是研究原子结构的重要依据．应用光谱学的原理和实验方法可以进行光谱分析，每一种元素都有它特有的标识谱线，把某种物质所生成的明线光谱和已知元素的标识谱线进行比较就可以知道这些物质是由哪些元素组成的，用光谱不仅能定性分析物质的化学成分，而且能确定元素含量的多少．光谱分析方法具有极高的灵敏度和准确度．在地质勘探中利用光谱分析就可以检验矿石里所含微量的贵重金属、稀有元素或放射性元素等．用光谱分析速度快，大大提高了工作效率．还可以用光谱分析研究天体的化学成分以及校定长度的标准原器等．复色光经过色散系统（如棱镜、光栅）分光后，按波长（或频率）的大小依次排列的图案。

例如，太阳光经过三棱镜后形成按红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫次序连续分布的彩色光谱。

红色到紫色，相应于波长由7,700—3,900埃的区域，是为人眼所能感觉的可见部分。

红端之外为波长更长的红外光，紫端之外则为波长更短的紫外光，都不能为肉眼所觉察，但能用仪器记录。

因此，按波长区域不同，光谱可分为红外光谱、可见光谱和紫外光谱；按产生的本质不同，可分为原子光谱、分子光谱；按产生的方式不同，可分为发射光谱、吸收光谱和散射光谱；按光谱表观形态不同，可分为线光谱、带光谱和连续光谱。

量子力学中称为“自旋”的量有时被认为所有物理量中最“量子力学”的。

这样，我们对之稍微多加注意是明智的。

什么是自旋？它本质上是粒子旋转的度量。

“自旋”这个术语暗示某种像板球或棒球自旋的东西。

让我们回忆一下角动量的概念，正如能量和动量一样，它是守恒的只要物体不受摩擦力或其他力的干扰，它的角动量就不随时间改变。

量子力学的自旋的确是如此，但是我们这里开心的是单独粒子的“自旋”，而不是大量的单独粒子围绕着它们共同质心的轨道运动（这正是板球的情形）。

物理学的一个显著事实是，自然中发现的大多数粒子在这种意义下的确是在“自旋”，每种粒子都有自己固有的自旋的大小8。

然而，正如下面要看到的，单独量子力学粒子的自旋有一种我们绝不能从自旋着的板球等等的经验所能预料到的某种特殊的性质。

首先，对于每一特殊类型的粒子，其自旋的大小总是一样的。

只有自旋的轴的方向可以（以一种我们就要讲到的非常奇怪的方式）改变。

这和板球的情形形成全然的对比，板球可依出球方式的不同具有任意大小任意方向的自旋，对于质子，中子，电子，自旋大小是原先允许的一个原子的量子化的角动量的最小正值的一半。

每一个粒子都不自旋的对象不允许有这个角动量值。

它只能是由自旋为粒子自身的固有的性质而引起的（也就是说，不是因为它的“部分”围绕某种中心的公转引起的）。

光谱分如下几种形式。

①线状光谱。

由狭窄谱线组成的光谱。

单原子气体或金属蒸气所发的光波均有线状光谱，故线状光谱又称原子光谱。

当原子能量从较高能级向较低能级跃迁时，就辐射出波长单一的光波。

严格说来这种波长单一的单色光是不存在的，由于能级本身有一定宽度和多普勒效应等原因，原子所辐射的光谱线总会有一定宽度（见谱线增宽）；即在较窄的波长范围内仍包含各种不同的波长成分。

原子光谱按波长的分布规律反映了原子的内部结构，每种原子都有自己特殊的光谱系列。

通过对原子光谱的研究可了解原子内部的结构，或对样品所含成分进行定性和定量分析。

②带状光谱。

由一系列光谱带组成，它们是由分子所辐射，故又称分子光谱。

利用高分辨率光谱仪观察时，每条谱带实际上是由许多紧挨着的谱线组成。

带状光谱是分子在其振动和转动能级间跃迁时辐射出来的，通常位于红外或远红外区。

通过对分子光谱的研究可了解分子的结构。

③连续光谱。

包含一切波长的光谱，赤热固体所辐射的光谱均为连续光谱。

同步辐射源（见电磁辐射）可发出从微波到X射线的连续光谱，X射线管发出的轫致辐射部分也是连续谱。

④吸收光谱。

具有连续谱的光波通过物质样品时，处于基态的样品原子或分子将吸收特定波长的光而跃迁到激发态，于是在连续谱的背景上出现相应的暗线或暗带，称为吸收光谱。

每种原子或分子都有反映其能级结构的标识吸收光谱。

研究吸收光谱的特征和规律是了解原子和分子内部结构的重要手段。

吸收光谱首先由J.V.夫琅和费在太阳光谱中发现（称夫琅和费线），并据此确定了太阳所含的某些元素。

具体的元素光谱：红色代表硫元素,蓝色代表氧元素,而绿色代表氢元素。

原子光谱实际上是由于原子内部电子跃迁而发射出来的，又由于原子内部的电子是有限的，分布在一定的轨道上，其发射出的光的频率亦是相应的有限，因此其光谱是线状谱光谱的本质是：原子即亚原子吸收线在可见光部分的表现。

一种原子或者元素，对应于特定的一条吸收线。

而起宽度取决于其吸收强度和原子的种类及其数目。

原子级光谱一般含有的原子或者元素比较单一，所以，其宽度比较低。

而分子不同，往往大于原子级数目很多，是几个单独原子的组合，所以，会有比单原子级具有更加宽的吸收线。

在分子中，电子态的能量比振动态的能量大50～100倍，而振动态的能量又比转动态的能量大50～100倍。

因此在分子的电子态之间的跃迁中，总是伴随着振动跃迁和转动跃迁的，因而许多光谱线就密集在一起而形成分子光谱。

因此，分子光谱又叫做带状光谱。

在原子中，当原子以某种方式从基态提升到较高的能态时，原子内部的能量增加了，这些多余的能量将被以光的形式发射出来，于是产生了原子的发射光谱，亦即原子光谱。

因为这种原子能态的变化是非连续量子性的，所产生的光谱也由一些不连续的亮线所组成，所以原子光谱又被称作线状光谱。

分子中存在多种运动形式，电子的运动、分子的振动、分子的转动。

分子转动能级的间隔十分密集，在特定范围的波段内用普通分辨率的光谱仪器观察，看到的是连续光谱。

而在整个波段范围内，分子光谱是多个特定范围的连续光谱所形成的带状光谱。

总而言之吧，分子光谱在特定波段范围内是连续光谱的原因在于：转动能级间隔很密。