很多小伙伴對(duì)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(duì)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(lái)看看吧。

01 光譜

光譜，就是光學(xué)頻譜的簡(jiǎn)稱，是復(fù)色光通過(guò)色散系統(tǒng)（如光柵、棱鏡）進(jìn)行分光后，依照光的波長(zhǎng)（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(zhǎng)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(zhǎng)（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(guò)具有一定幾何外形的介質(zhì)（如三棱鏡）之后，波長(zhǎng)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(yáng)光的色散實(shí)驗(yàn)(1666-牛頓)就是一個(gè)典型的現(xiàn)象。太陽(yáng)光呈現(xiàn)白色，當(dāng)它通過(guò)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(guò)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(lái)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(yáng)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(guò)使電磁輻射穿過(guò)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(zhǎng)相同的彈性成分（瑞利散射）外，還有比激發(fā)光波長(zhǎng)長(zhǎng)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(zhǎng)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(cè)物質(zhì)發(fā)射的電磁輻射信號(hào)或電磁輻射能量與待測(cè)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(lái)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(guò)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(guò)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(zhǎng)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(zhǎng)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(guò)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(zhǎng)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(cè)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(zhǎng)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(cè)元素特征譜線的光，通過(guò)樣品蒸氣時(shí)被蒸氣中待測(cè)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(lái)測(cè)定樣品中待測(cè)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(zhǎng)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(guò)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(duì)不同波長(zhǎng)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(zhǎng)相同的彈性成分（瑞利散射）外，還有比激發(fā)光波長(zhǎng)長(zhǎng)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(lái)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(duì)不同物質(zhì)Δ不同，對(duì)同一物質(zhì)，Δ與入射光頻率無(wú)關(guān)。拉曼散射的產(chǎn)生：光電場(chǎng)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(duì)于對(duì)稱分子，對(duì)稱振動(dòng)是拉曼活性的，反對(duì)稱振動(dòng)是紅外活性的。紅外光譜主要用于基團(tuán)的檢測(cè)，拉曼光譜主要用于骨架的測(cè)定。拉曼位移與紅外吸收峰完全對(duì)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(lái)檢測(cè)無(wú)機(jī)物質(zhì)。拉曼光譜要求對(duì)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(zhǎng)要盡可能小，來(lái)獲得更強(qiáng)的拉曼散射。

單色器：光柵

檢測(cè)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