光谱基础知识
一、光的特性
高速通过空间的光子流，通常简称为光，它具有二象性，即波动性和粒子性。波动性表现在光的折射、衍射和干涉等现象；粒子性表现在光电效应等现象。
每个光子的能量（EL）与其频率（ν）、波长（λ）及波数（σ）之间的关系为
EL=hν=hc/λ=hcσ
式中：h为普朗克常数（Planck constant），其值为6.626´10-34J.s; c为光速，其值3´1010cm.s-1；σ为波数（wave number），其单位为cm-1；λ为波长（wave length），单位为cm。
由上式可知：电磁辐射的波长越短，其光子的能量越高。
普朗克认为：物质对辐射能的吸收和发射是不连续的，是量子化的。
当物质内的分子或原子发生能级跃迁时，若以辐射能的形式传递能量，则辐射能一定等于物质的能级变化，即△E= EL=hν=hc/λ
二、光的波谱
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波谱区名称 |
波长范围a |
光子能量b/J |
跃迁能级类型 |
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g射线 |
5´10-3~0.14nm |
4.0´10-13~1.3´10-15 |
核能级 |
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´射线 |
0.01~10nm |
1.9´10-13~2.0´10-17 |
内层电子能级 |
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远紫外区 |
10~200nm |
2.0´10-17~9.6´10-19 |
同上 |
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近紫外区 |
200~400nm |
9.6´10-19~5.0´10-19 |
原子及分子价电子或成键电子 |
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可见区 |
400~760nm |
5.0´10-19~2.7´10-19 |
同上 |
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近红外区 |
0.75~2.5mm |
2.7´10-19~8.0´10-20 |
分子振动能级 |
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中红外区 |
2.5~50mm |
8.0´10-20~3.2´10-21 |
同上 |
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远红外区 |
50~1000mm |
3.2´10-21~6.8´10-23 |
分子转动能级 |
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微波区 |
0.1~100cm |
6.8´10-23~6.4´10-26 |
电子自旋及核自旋 |
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射频区 |
1~1000m |
6.4´10-26~6.4´10-29 |
同上 |
a. 1m=102cm=106μm=109nm; b. 1eV=1.6020´10-19J
三、单色光、复合光和互补色光
（1）单色光：具有同一波长（或频率）的光称为单色光。
（2）复合光：由不同波长的光组合而成的光称为复合光。
单色光很难从光源获得，多数光源如太阳、白炽灯和氢灯等发出的光都是复合光，通过适当的手段可以从复合光中获得单色光。
人的眼睛对不同光的感受不一样。凡是能被肉眼感受到的光称为可见光，可见光的波长范围为400~780nm。凡是超出此范围的光，人的眼睛感觉不到。可见光范围内，不同波长的光会让人感觉不同的颜色。如日光属于可见光，它是由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等各种颜色光按一定比例混合而成的白光。当通过棱镜后，白光中各种波长的光被彼此分离开来，从而得到了各种不同颜色的单色光。
（3）互补色光：如果把适当颜色的两种光按一定强度比例混合也可得到白光，这两种颜色的光称为互补色光。如绿色与紫色为互补色，黄色与蓝色为互补色，通过表1-2可以了解各种颜色对应的互补色。
表1-2 不同颜色可见光的波长及其互补色
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波长/nm |
400~450 |
450~480 |
480~490 |
490~500 |
500~560 |
560~580 |
580~610 |
610~650 |
650~780 |
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颜色 |
紫 |
蓝 |
绿蓝 |
蓝绿 |
绿 |
黄绿 |
黄 |
橙 |
红 |
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互补色 |
黄绿 |
黄 |
橙 |
红 |
红紫 |
紫 |
蓝 |
绿蓝 |
蓝绿 |
四、光谱的定义
广义：各种电磁波辐射都叫做光谱。
自然界的一切物质可以与各种频率的电磁波辐射发生相互作用，这种作用表现为对光的吸收或吸收光后再发射出各种波长的光，这取决于各自的特殊的物质结构。
根据各种不同的物质吸收或者发射出某一特征频率的光信号及信号强度的大小可以实现物质的定性与定量分析。
光谱分析，一般依其波长及其测定的方法可以分为：
γ射线(0.005~1.4Ả)；
X射线 (0.1~100Ắ)；
光学光谱(100 Ắ ~1000μm)；
微波波谱(0.1~100cm)。
狭义：通常所说的光谱，一般仅指光学光谱而言。
五、光学光谱的分类
（1）依其波长及其测定的方法可以分为：
真空紫外光光谱：10~200nm
近紫外光谱：200~400nm
可见光谱：400~800nm
近红外光谱：800nm~2.5μm
中红外光谱： 2.5~50μm
远红外光谱： 50~1000μm
（2）依据电磁波辐射的本质可以分为：
光谱分析法根据电磁波辐射的本质，可分为原子光谱和分子光谱，产生光谱的基本粒子是物质的分子或原子，由于原子与分子的结构不同，其产生的光谱特征亦明显不同。
a.原子光谱：原子核外电子在不同能级间跃迁而产生的光谱称为原子光谱（atomic spectrum）。它们的表现形式为线状光谱。
b.分子光谱：在辐射能作用下，因分子内能级间的跃迁而产生的光谱称为分子光谱（molecular spectrum）。由于在分子中各质点的运动比单个原子复杂，因此分子光谱比原子光谱复杂得多。
（3）根据辐射能传递的情况可以分为：
a.吸收光谱 当电磁辐射通过某些物质时，物质的原子或分子吸收与其能级跃迁相对应的能量，由基态或低能态跃迁到较高的能态，这种基于物质对辐射能的选择性吸收而得到的原子或分子光谱为吸收光谱。原子吸收光谱为一些暗线，分子吸收光谱为一些暗带。
b.发射光谱 （包括发光光谱）物质的分子、原子或离子接受外界能量，使其由基态或低能态跃迁到高能态（激发态），再由高能态跃迁回低能态或基态，而产生的光谱称为发射光谱。常用的有原子发射光谱和荧光光谱。
对于原子发射光谱，由于每种元素的原子结构不同，发射的谱线各有其特征性，可以根据元素的特征谱线进行定性分析，根据谱线的强度与物质含量的关系进行定量分析。
荧光光谱实质上是一种发射光谱，它的产生是由于某些物质的分子或原子在辐射能作用下跃迁至激发态，在返回基态的过程中，先以无辐射跃迁的形式释放出部分能量，回到第一激发态，然后再以辐射跃迁回到基态，由此产生的光谱称为荧光光谱，荧光光谱分为分子荧光光谱和原子荧光光谱。
c.散射光谱（如拉曼光谱） 当物质分子吸收了频率较低的光能后，并不足使分子中的电子跃迁到电子的激发态，而只是上升到基态中较高的振动能级上去，若在10-15s~10-12s返回到原能级，此时辐射出和激发光相同波长的光，称为瑞利散射；若返回到较原能级稍高或稍低的振动能级上，辐射出较激发光稍长或稍短的光，这种光称为拉曼散射光。