很多小伙伴對于光譜并不是很了解。今天小編和大家一起學(xué)習(xí)下什么是光譜，光譜能夠發(fā)揮怎么樣的作用。

光是我們唯一可以看見的能量，我們以顏色的形式看到它。材料分析方法對于建立材料組織結(jié)構(gòu)和性能之間的聯(lián)系具有重要作用。當(dāng)將光譜應(yīng)用到材料分析時(shí)會(huì)有哪些驚喜呢？跟小析一起來看看吧。

01 光譜

光譜，就是光學(xué)頻譜的簡稱，是復(fù)色光通過色散系統(tǒng)（如光柵、棱鏡）進(jìn)行分光后，依照光的波長（或頻率）的大小順次排列形成的圖案。光譜中的一部分可見光譜是電磁波譜中人眼可見的唯一部分，在這個(gè)波長范圍內(nèi)的電磁輻射被稱作可見光。
 

圖1：光譜復(fù)色光中有著各種波長（或頻率）的光，這些光在介質(zhì)中有著不同的折射率。因此，當(dāng)復(fù)色光通過具有一定幾何外形的介質(zhì)（如三棱鏡）之后，波長不同的光線會(huì)因出射角的不同而發(fā)生色散現(xiàn)象，投映出連續(xù)的或不連續(xù)的彩色光帶。著名的太陽光的色散實(shí)驗(yàn)(1666-牛頓)就是一個(gè)典型的現(xiàn)象。太陽光呈現(xiàn)白色，當(dāng)它通過三棱鏡折射后，將形成由紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫順次連續(xù)分布的彩色光譜，覆蓋了大約在390到770納米的可見光區(qū)。

 

圖2：光的色散通過光譜的研究，人們可以得到原子、分子的能級(jí)結(jié)構(gòu)、能級(jí)壽命、電子的組態(tài)、分子的幾何形狀、化學(xué)鍵的性質(zhì)、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等多方面物質(zhì)結(jié)構(gòu)的知識(shí)。

02 光譜學(xué)

光譜學(xué)(Spectroscopy)是光學(xué)的一個(gè)分支學(xué)科，它主要研究各種物質(zhì)的光譜的產(chǎn)生及其同物質(zhì)之間的相互作用。在化學(xué)中，光譜學(xué)被用來尋找新元素。時(shí)至今日，紅外光譜法仍在化學(xué)分析中被廣泛使用。  在天文學(xué)中，光譜學(xué)使我們能夠弄清楚太陽和恒星的組成元素，它是天文學(xué)家工具箱中功能最強(qiáng)的工具。物理學(xué)是光譜學(xué)產(chǎn)出成果最多的領(lǐng)域，光譜學(xué)直接導(dǎo)致了量子力學(xué)的發(fā)展。光譜學(xué)技術(shù)并不僅是一種科學(xué)工具，在化學(xué)分析中它也提供了重要的定性與定量的分析方法。在光的作用下，你并不是直接看到了分子（即它的內(nèi)部實(shí)質(zhì)）而是它的“靈魂”。你觀察的是光與不同自由度的分子之間的作用。每種類型的光譜（不同的光頻率）給出不同的圖像。

03 光譜分類

按照光與物質(zhì)的作用形式，光譜一般可分為吸收光譜、發(fā)射光譜和散射光譜等。
 

圖3：光譜分類吸收光譜吸收光譜指的是通過使電磁輻射穿過物質(zhì)而獲得的光譜，特征是它在光譜上顯示暗線。當(dāng)物質(zhì)暴露于電磁輻射源時(shí)，如果光子的能量與兩個(gè)能級(jí)之間的能量相同，則能量被較低能級(jí)的電子吸收，導(dǎo)致某特定電子的能量增加。如圖4a所示。那么該電子的能量很高(意思是它就準(zhǔn)備進(jìn)行跳躍)，但是，如果光子的能量不等于兩個(gè)能級(jí)之間的能量差，則光子將不會(huì)被吸收。圖5為一典型的紅外吸收光譜。

 

  

圖4a：吸收光譜躍遷

 

圖4b：發(fā)射光譜躍遷

 

圖5： 紅外吸收光譜
發(fā)射光譜發(fā)射光譜指的是物質(zhì)發(fā)射的電磁輻射形成的光譜。當(dāng)原子從激發(fā)態(tài)變?yōu)榉�(wěn)定態(tài)時(shí)，它會(huì)發(fā)出電磁輻射(等于釋放能量)以進(jìn)入較低的能量狀態(tài)，如圖4b所示，能量以光子的形式釋放。光子的這種集合在一起使一個(gè)光譜稱為發(fā)射光譜。如圖6所示為在532 nm處的發(fā)射光譜圖。  

 

圖6：發(fā)射光譜散射光譜當(dāng)光照射到物質(zhì)上時(shí)，會(huì)發(fā)生非彈性散射，在散射光中除有與激發(fā)光波長相同的彈性成分（瑞利散射）外，還有比激發(fā)光波長長的和短的成分，后一現(xiàn)象統(tǒng)稱為拉曼效應(yīng)。這種現(xiàn)象于1928年由印度科學(xué)家拉曼所發(fā)現(xiàn)，因此這種產(chǎn)生新波長的光的散射被稱為拉曼散射，所產(chǎn)生的光譜被稱為拉曼光譜或拉曼散射光譜。拉曼光譜的應(yīng)用范圍遍及物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)等許多領(lǐng)域。

 

圖7：拉曼散射原理圖

04 材料光譜分析是什么？

光譜分析是基于待測物質(zhì)發(fā)射的電磁輻射信號(hào)或電磁輻射能量與待測物質(zhì)相互作用后所產(chǎn)生的電磁輻射信號(hào)與材料組成及結(jié)構(gòu)關(guān)系所建立起來的分析方法。涉及物質(zhì)的能量狀態(tài)、狀態(tài)躍遷以及躍遷強(qiáng)度等方面。通過光譜學(xué)規(guī)律的研究，可以揭示物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)及內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。反之，通過物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)及內(nèi)部運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究，可以解釋光譜學(xué)的規(guī)律。

05 光波與物質(zhì)的相互作用

光波是波長在0.2到20微米之間的電磁波，即紫外、可見、紅外（包括遠(yuǎn)紅外）合稱光學(xué)光譜區(qū)。X射線的波長為1pm到10 nm。光波與材料的相互作用方式：

 

 圖8 （1）吸收：物質(zhì)選擇性吸收特定頻率的輻射能，并從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)，產(chǎn)生了不同的顏色；（2）發(fā)射：將吸收的能量以光的形式釋放出；（3）散射：彈性與非彈性散射；（4）光電離：入射光子能量足夠大，造成原子或分子電離；（5）反射與折射：光在兩種介質(zhì)中的傳播行為；（6）干涉；（7）衍射：光繞過物體而彎曲地向后面?zhèn)鞑サ默F(xiàn)象；（8）偏振。

06 基本材料光譜分析方法

分為吸收光譜、發(fā)射光譜、散射光譜（拉曼散射譜）。吸收、發(fā)射光譜按發(fā)生作用的物質(zhì)微粒不同分為原子、分子光譜；按波長范圍（譜域）不同：紅外光譜、紫外光譜、可見光譜、X射線譜等。

 

圖9

07 材料光譜分析基本原理

材料原子光譜分析

（1）原子發(fā)射光譜（AES）

被測樣品用適當(dāng)?shù)募ぐl(fā)光源激發(fā)，樣品中的原子就會(huì)輻射出特征光，經(jīng)外光路照明系統(tǒng)聚焦，再經(jīng)準(zhǔn)直系統(tǒng)使之成為平行光，后經(jīng)色散元件把復(fù)合光按波長展譜，最后經(jīng)感光板處理，得到樣品的特征發(fā)射光譜。一定條件下元素特征譜線的強(qiáng)度隨元素在樣品中的含量、濃度的增大而增強(qiáng)，進(jìn)行元素的半定量、定量分析。

（2）原子吸收光譜（AAS）

從光源輻射出的具有待測元素特征譜線的光，通過樣品蒸氣時(shí)被蒸氣中待測元素基態(tài)原子所吸收，從而由輻射特征譜線光被減弱的程度來測定樣品中待測元素含量的方法。又稱為原子吸收分光光度法，可進(jìn)行定量分析。

（3）原子熒光光譜（AFE）

以原子在輻射能激發(fā)下發(fā)射的熒光輻射強(qiáng)度進(jìn)行定量分析的發(fā)射光譜分析法。樣品原子蒸氣被強(qiáng)光源發(fā)射的光輻射照射，氣態(tài)自由原子吸收光源的特征輻射后，原子的外層電子躍遷到較高能級(jí)然后返回低能級(jí)同時(shí)發(fā)射出與原激光輻射波長相同或不同的輻射，為原子熒光(二次發(fā)光)。當(dāng)激發(fā)光源停止照射，發(fā)射過程停止。

材料分子光譜分析

（1）紫外-可見光吸收光譜（UV-VIS）

UV、VIS是分子外層電子在電子能級(jí)間躍遷而產(chǎn)生的，又稱為電子光譜。在電子能級(jí)躍遷的同時(shí)伴有振動(dòng)能級(jí)與轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的躍遷，電子能級(jí)躍遷產(chǎn)生的紫外、可見光譜中包含有振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷產(chǎn)生的譜線，分子的紫外、可見光譜是由譜線非常接近甚至重疊的吸收帶組成的帶狀光譜。

（2）紅外吸收光譜（IR）

物質(zhì)在紅外輻射作用下分子振動(dòng)能級(jí)躍遷（由振動(dòng)基態(tài)向振動(dòng)激發(fā)態(tài)）而產(chǎn)生的。同時(shí)伴有分子轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷，又稱振-轉(zhuǎn)光譜，由吸收帶組成的帶狀光譜。是利用物質(zhì)對不同波長紅外光的吸收程度進(jìn)行研究物質(zhì)分子的組成及結(jié)構(gòu)的方法。

（3）熒光、磷光光譜

分子受光能激發(fā)后，由第一電子激發(fā)單重態(tài)躍遷回到基態(tài)的任一振動(dòng)能級(jí)時(shí)所發(fā)出的光輻射，稱為分子熒光。激發(fā)態(tài)分子從第一電子激發(fā)態(tài)三重態(tài)躍遷回到基態(tài)時(shí)所發(fā)出的光輻射稱為磷光。熒光和磷光為分子常見的光致發(fā)光現(xiàn)象。

08 拉曼光譜分析法

光照射到物質(zhì)上會(huì)發(fā)生非彈性散射，散射光中除有與激發(fā)光波長相同的彈性成分（瑞利散射）外，還有比激發(fā)光波長長的和短的成分，后者稱為拉曼效應(yīng)。

拉曼效應(yīng)：光子同分子碰撞產(chǎn)生的光散射效應(yīng)。

拉曼散射：樣品分子與激發(fā)光相互作用產(chǎn)生的非彈性散射，光的方向改變而且有能量交換。把瑞利散射和拉曼散射合起來所形成的光譜稱為拉曼光譜。拉曼光譜是散射光譜。拉曼散射有stokes散射與反stokes散射。

 

圖10

瑞利散射最強(qiáng)，stokes線強(qiáng)度次之，反stokes線最弱。拉曼位移是拉曼散射光與入射光頻率差Δ。對不同物質(zhì)Δ不同，對同一物質(zhì)，Δ與入射光頻率無關(guān)。拉曼散射的產(chǎn)生：光電場E中，分子產(chǎn)生誘導(dǎo)偶極矩。拉曼活性振動(dòng)是伴隨著有極化率變化的振動(dòng)，

拉曼光譜與紅外光譜都是振動(dòng)光譜，拉曼散射是散射光譜，紅外光譜是吸收光譜。紅外光譜與拉曼光譜是互補(bǔ)的，對于對稱分子，對稱振動(dòng)是拉曼活性的，反對稱振動(dòng)是紅外活性的。紅外光譜主要用于基團(tuán)的檢測，拉曼光譜主要用于骨架的測定。拉曼位移與紅外吸收峰完全對應(yīng)。拉曼散射比紅外光譜強(qiáng)度更弱，因此要采用強(qiáng)光源。

 

表1

拉曼光譜范圍非常大，因此可以用來檢測無機(jī)物質(zhì)。拉曼光譜要求對激發(fā)光透明，極化率大。拉曼光譜與紅外光譜合稱為振動(dòng)光譜，二者互補(bǔ)。

拉曼光譜儀：

光源：氮氛激光器，激光波長要盡可能小，來獲得更強(qiáng)的拉曼散射。

單色器：光柵

檢測器：光電倍增管，光電子計(jì)數(shù)器。

 

圖11 激光拉曼光譜儀示意圖