很多小伙伴对于光谱并不是很了解。今天小编和大家一起学习下什么是光谱，光谱能够发挥怎么样的作用。

光是我们唯一可以看见的能量，我们以颜色的形式看到它。材料分析方法对于建立材料组织结构和性能之间的联系具有重要作用。当将光谱应用到材料分析时会有哪些惊喜呢？跟小析一起来看看吧。

01 光谱

光谱，就是光学频谱的简称，是复色光通过色散系统（如光栅、棱镜）进行分光后，依照光的波长（或频率）的大小顺次排列形成的图案。光谱中的一部分可见光谱是电磁波谱中人眼可见的唯一部分，在这个波长范围内的电磁辐射被称作可见光。
 

图1：光谱复色光中有着各种波长（或频率）的光，这些光在介质中有着不同的折射率。因此，当复色光通过具有一定几何外形的介质（如三棱镜）之后，波长不同的光线会因出射角的不同而发生色散现象，投映出连续的或不连续的彩色光带。著名的太阳光的色散实验(1666-牛顿)就是一个典型的现象。太阳光呈现白色，当它通过三棱镜折射后，将形成由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫顺次连续分布的彩色光谱，覆盖了大约在390到770纳米的可见光区。

 

图2：光的色散通过光谱的研究，人们可以得到原子、分子的能级结构、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。

02 光谱学

光谱学(Spectroscopy)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。在化学中，光谱学被用来寻找新元素。时至今日，红外光谱法仍在化学分析中被广泛使用。  在天文学中，光谱学使我们能够弄清楚太阳和恒星的组成元素，它是天文学家工具箱中功能最强的工具。物理学是光谱学产出成果最多的领域，光谱学直接导致了量子力学的发展。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。在光的作用下，你并不是直接看到了分子（即它的内部实质）而是它的“灵魂”。你观察的是光与不同自由度的分子之间的作用。每种类型的光谱（不同的光频率）给出不同的图像。

03 光谱分类

按照光与物质的作用形式，光谱一般可分为吸收光谱、发射光谱和散射光谱等。
 

图3：光谱分类吸收光谱吸收光谱指的是通过使电磁辐射穿过物质而获得的光谱，特征是它在光谱上显示暗线。当物质暴露于电磁辐射源时，如果光子的能量与两个能级之间的能量相同，则能量被较低能级的电子吸收，导致某特定电子的能量增加。如图4a所示。那么该电子的能量很高(意思是它就准备进行跳跃)，但是，如果光子的能量不等于两个能级之间的能量差，则光子将不会被吸收。图5为一典型的红外吸收光谱。

 

  

图4a：吸收光谱跃迁

 

图4b：发射光谱跃迁

 

图5： 红外吸收光谱
发射光谱发射光谱指的是物质发射的电磁辐射形成的光谱。当原子从激发态变为稳定态时，它会发出电磁辐射(等于释放能量)以进入较低的能量状态，如图4b所示，能量以光子的形式释放。光子的这种集合在一起使一个光谱称为发射光谱。如图6所示为在532 nm处的发射光谱图。  

 

图6：发射光谱散射光谱当光照射到物质上时，会发生非弹性散射，在散射光中除有与激发光波长相同的弹性成分（瑞利散射）外，还有比激发光波长长的和短的成分，后一现象统称为拉曼效应。这种现象于1928年由印度科学家拉曼所发现，因此这种产生新波长的光的散射被称为拉曼散射，所产生的光谱被称为拉曼光谱或拉曼散射光谱。拉曼光谱的应用范围遍及物理学、化学、生物学等许多领域。

 

图7：拉曼散射原理图

04 材料光谱分析是什么？

光谱分析是基于待测物质发射的电磁辐射信号或电磁辐射能量与待测物质相互作用后所产生的电磁辐射信号与材料组成及结构关系所建立起来的分析方法。涉及物质的能量状态、状态跃迁以及跃迁强度等方面。通过光谱学规律的研究，可以揭示物质的组成、结构及内部运动的规律。反之，通过物质的组成、结构及内部运动规律的研究，可以解释光谱学的规律。

05 光波与物质的相互作用

光波是波长在0.2到20微米之间的电磁波，即紫外、可见、红外（包括远红外）合称光学光谱区。X射线的波长为1pm到10 nm。光波与材料的相互作用方式：

 

 图8 （1）吸收：物质选择性吸收特定频率的辐射能，并从低能级跃迁到高能级，产生了不同的颜色；（2）发射：将吸收的能量以光的形式释放出；（3）散射：弹性与非弹性散射；（4）光电离：入射光子能量足够大，造成原子或分子电离；（5）反射与折射：光在两种介质中的传播行为；（6）干涉；（7）衍射：光绕过物体而弯曲地向后面传播的现象；（8）偏振。

06 基本材料光谱分析方法

分为吸收光谱、发射光谱、散射光谱（拉曼散射谱）。吸收、发射光谱按发生作用的物质微粒不同分为原子、分子光谱；按波长范围（谱域）不同：红外光谱、紫外光谱、可见光谱、X射线谱等。

 

图9

07 材料光谱分析基本原理

材料原子光谱分析

（1）原子发射光谱（AES）

被测样品用适当的激发光源激发，样品中的原子就会辐射出特征光，经外光路照明系统聚焦，再经准直系统使之成为平行光，后经色散元件把复合光按波长展谱，最后经感光板处理，得到样品的特征发射光谱。一定条件下元素特征谱线的强度随元素在样品中的含量、浓度的增大而增强，进行元素的半定量、定量分析。

（2）原子吸收光谱（AAS）

从光源辐射出的具有待测元素特征谱线的光，通过样品蒸气时被蒸气中待测元素基态原子所吸收，从而由辐射特征谱线光被减弱的程度来测定样品中待测元素含量的方法。又称为原子吸收分光光度法，可进行定量分析。

（3）原子荧光光谱（AFE）

以原子在辐射能激发下发射的荧光辐射强度进行定量分析的发射光谱分析法。样品原子蒸气被强光源发射的光辐射照射，气态自由原子吸收光源的特征辐射后，原子的外层电子跃迁到较高能级然后返回低能级同时发射出与原激光辐射波长相同或不同的辐射，为原子荧光(二次发光)。当激发光源停止照射，发射过程停止。

材料分子光谱分析

（1）紫外-可见光吸收光谱（UV-VIS）

UV、VIS是分子外层电子在电子能级间跃迁而产生的，又称为电子光谱。在电子能级跃迁的同时伴有振动能级与转动能级的跃迁，电子能级跃迁产生的紫外、可见光谱中包含有振动、转动能级跃迁产生的谱线，分子的紫外、可见光谱是由谱线非常接近甚至重叠的吸收带组成的带状光谱。

（2）红外吸收光谱（IR）

物质在红外辐射作用下分子振动能级跃迁（由振动基态向振动激发态）而产生的。同时伴有分子转动能级跃迁，又称振-转光谱，由吸收带组成的带状光谱。是利用物质对不同波长红外光的吸收程度进行研究物质分子的组成及结构的方法。

（3）荧光、磷光光谱

分子受光能激发后，由第一电子激发单重态跃迁回到基态的任一振动能级时所发出的光辐射，称为分子荧光。激发态分子从第一电子激发态三重态跃迁回到基态时所发出的光辐射称为磷光。荧光和磷光为分子常见的光致发光现象。

08 拉曼光谱分析法

光照射到物质上会发生非弹性散射，散射光中除有与激发光波长相同的弹性成分（瑞利散射）外，还有比激发光波长长的和短的成分，后者称为拉曼效应。

拉曼效应：光子同分子碰撞产生的光散射效应。

拉曼散射：样品分子与激发光相互作用产生的非弹性散射，光的方向改变而且有能量交换。把瑞利散射和拉曼散射合起来所形成的光谱称为拉曼光谱。拉曼光谱是散射光谱。拉曼散射有stokes散射与反stokes散射。

 

图10

瑞利散射最强，stokes线强度次之，反stokes线最弱。拉曼位移是拉曼散射光与入射光频率差Δ。对不同物质Δ不同，对同一物质，Δ与入射光频率无关。拉曼散射的产生：光电场E中，分子产生诱导偶极矩。拉曼活性振动是伴随着有极化率变化的振动，

拉曼光谱与红外光谱都是振动光谱，拉曼散射是散射光谱，红外光谱是吸收光谱。红外光谱与拉曼光谱是互补的，对于对称分子，对称振动是拉曼活性的，反对称振动是红外活性的。红外光谱主要用于基团的检测，拉曼光谱主要用于骨架的测定。拉曼位移与红外吸收峰完全对应。拉曼散射比红外光谱强度更弱，因此要采用强光源。

 

表1

拉曼光谱范围非常大，因此可以用来检测无机物质。拉曼光谱要求对激发光透明，极化率大。拉曼光谱与红外光谱合称为振动光谱，二者互补。

拉曼光谱仪：

光源：氮氛激光器，激光波长要尽可能小，来获得更强的拉曼散射。

单色器：光栅

检测器：光电倍增管，光电子计数器。

 

图11 激光拉曼光谱仪示意图