光谱学的发展史简介光谱学光谱学是光学的一个分支学科它主要研究.PDFVIP

光谱学的发展史简介 光谱学 光谱学是光学的一个分支学科，它主要研究各种物质的光谱的产 生及其同物质之间的相互作用。光谱是电磁辐射按照波长的有序排列， 根据实验条件的不同，各个辐射波长都具有各自的特征强度。 通过光谱的研究，人们可以得到原子、分子等的能级结构、能级 寿命、电子的组态、分子的几何形状、化学键的性质、反应动力学等 多方面物质结构的知识。但是，光谱学技术并不仅是一种科学工具， 在化学分析中它也提供了重要的定性与定量的分析方法。 光谱学的发展简史 光谱学的研究已有一百多年的历史了。1666 年，牛顿把通过玻 璃棱镜的太阳光分解成了从红光到紫光的各种颜色的光谱，他发现白 光是由各种颜色的光组成的。这是可算是最早对光谱的研究。 其后一直到1802 年，渥拉斯顿观察到了光谱线，其后在1814 年 夫琅和费也独立地发现它。牛顿之所以没有能观察到光谱线，是因为 他使太阳光通过了圆孔而不是通过狭缝。在1814～1815 年之间，夫 琅和费公布了太阳光谱中的许多条暗线，并以字母来命名，其中有些 命名沿用至今。此后便把这些线称为夫琅和费暗线。 实用光谱学是由基尔霍夫与本生在19 世纪60 年代发展起来的; 他们证明光谱学可以用作定性化学分析的新方法，并利用这种方法发 现了几种当时还未知的元素，并且证明了太阳里也存在着多种已知的 元素。 从19 世纪中叶起，氢原子光谱一直是光谱学研究的重要课题之 一。在试图说明氢原子光谱的过程中，所得到的各项成就对量子力学 法则的建立起了很大促进作用。这些法则不仅能够应用于氢原子，也 能应用于其他原子、分子和凝聚态物质。 氢原子光谱中最强的一条谱线是1853 年由瑞典物理学家埃斯特 朗探测出来的。此后的20 年，在星体的光谱中观测到了更多的氢原 子谱线。1885 年，从事天文测量的瑞士科学家巴耳末找到一个经验 公式来说明已知的氢原子诺线的位置，此后便把这一组线称为巴耳末 系。继巴耳末的成就之后，1889 年，瑞典光谱学家里德伯发现了许 多元素的线状光谱系，其中最为明显的为碱金属原子的光谱系，它们 也都能满足一个简单的公式。 尽管氢原子光谱线的波长的表示式十分简单，不过当时对其起因 却茫然不知。一直到1913 年，玻尔才对它作出了明确的解释。但玻 尔理论并不能解释所观测到的原子光谱的各种特征，即使对于氢原子 光谱的进一步的解释也遇到了困难。 能够满意地解释光谱线的成因的是20 世纪发展起来的量子力学。 电子不仅具有轨道角动量，而且还具有自旋角动量。这两种角动量的 结合便成功地解释了光谱线的分裂现象。 电子自旋的概念首先是在1925 年由乌伦贝克和古兹密特作为假 设而引入的，以便解释碱金属原子光谱的测量结果。在狄喇克的相对 论性量子力学中，电子自旋(包括质子自旋与中子自旋) 的概念有了牢 固的理论基础，它成了基本方程的自然结果而不是作为一种特别的假 设了。 1896 年，塞曼把光源放在磁场中来观察磁场对光三重线，发现 这些谱线都是偏振的。现在把这种现象称为塞曼效应。次年，洛伦兹 对于这个效应作了满意的解释。 塞曼效应不仅在理论上具有重要意义，而且在应用中也是重要的。 在复杂光谱的分类中，塞曼效应是一种很有用的方法，它有效地帮助 了人们对于复杂光谱的理解。 光谱学的内容 根据研究光谱方法的不同，习惯上把光谱学区分为发射光谱学、 吸收光谱学与散射光谱学。这些不同种类的光谱学，从不同方面提供 物质微观结构知识及不同的化学分析方法。 发射光谱可以区分为三种不同类别的光谱：线状光谱、带状光谱 和连续光谱。线状光谱主要产生于原子，带状光谱主要产生于分子， 连续光谱则主要产生于白炽的固体或气体放电。 现在观测到的原子发射的光谱线已有百万条了。每种原子都有其 独特的光谱，犹如人的指纹一样是各不相同的。根据光谱学的理论， 每种原子都有其自身的一系列分立的能态，每一能态都有一定的能量。 我们把氢原子光谱的最小能量定为最低能量，这个能态称为基态， 相应的能级称为基能级。当原子以某种方法从基态被提升到较高的能 态上时，原子的内部能量增加了，原子就会把这种多余的能量以光的 形式发射出来，于是产生了原子的发射光谱，反之就产生吸收光谱。 这种原子能态的变化不是连续的，而是量子性的，我们称之为原子能 级之间的跃迁。 在分子的发射光谱中，研究的主要内容是二原子分