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光谱仪的前世今生

时间:2020-09-28 14:50 来源:本站创作  作者:管理员 点击次数:
 
分光计是把组成复杂的光分解成光谱线的科学仪器,它由棱镜或衍射光栅等组成。光谱分析是人类认识光世界的一种重要方法。不同的元素及其化合物在地球上都有其独特的光谱特征,因此这些光谱被认为是区别物质的指纹。利用分光计分析不同物质的光谱,可以探测到许多重要信息,例如未知星球的表面信息,钢铁和宝石的质量,炸药的性质等。
光谱仪
光谱学发源于17世纪,1666年,23岁的牛顿在暗室的护窗板上开了一个小洞,将阳光照射进墙壁,然后通过放置好的玻璃棱镜传递出去,产生了科学史上著名的“人造彩虹”——折射到墙上的光线,不仅仅是宽大的光斑,而是红色,橙色,黄色,绿色,蓝色和紫色的条纹。再一次,牛顿把这个“人造彩虹”通过倒置的第二个棱镜,重新组合成白色的光,他发现白光是由各种颜色的光组成的。那是光谱研究的第一个阶段。
著名的牛顿分散试验
自从牛顿之后,就没人再注意了。之后直到1802年,渥拉斯顿观测到了光谱线,之后在1814年夫琅和费发现了光谱线。由于他让太阳光穿过圆孔而不是狭缝,所以牛顿无法观测到光谱线。夫琅和费于1814~1815年间出版了许多太阳光谱中的暗线,并以字母命名,其中一些名称至今仍存。其后又称夫琅和费暗线。
色散试验
夫琅和费暗线
一八二六年 Tylbott研究了钠盐、钾盐在酒精灯上的光谱,他指出发射光谱是化学分析的基础,钾盐的红色光谱和钠盐的黄色光谱都是该元素的特征。
基尔霍夫和本生在十九世纪六十年代发展了实用光谱技术。为研究金属的光谱,他们设计并制造了一套完美的分光装置,这是世界上第一台实用的光谱仪器,用于研究火焰、电火花中各种金属的谱线,从而为光谱分析奠定了基础。科学家们证实了光谱可以作为定性化学分析的一种新方法,并用这一方法发现了几种在当时未知的元素,同时证明在太阳中也存在许多已知的元素。
全球第一台实用光谱仪器
自19世纪中期以来,氢原子光谱一直是光谱学的一个重要研究课题。为了阐明氢原子的光谱,所取得的各种成果极大地推动了量子力学定律的建立。这一规则不仅适用于氢原子,而且适用于其它原子、分子和凝聚态物质。
瑞典物理学家 Estrong在1853年发现了氢原子光谱中最强的谱线。之后的20年里,更多的氢原子谱线出现在星体的光谱中。一八八五年,从事天文测量的瑞士科学家 Ballermi,发现了一个可以确定氢原子谱线位置的经验公式,并将其命名为 Ballermi系。1889年,在巴耳末的成就之后,瑞典光谱学家里德伯发现了许多元素的线性谱系,其中最显著的是碱金属原子谱系,它们同样符合一个简单的公式。
虽然氢原子光谱线的波长的表示法非常简单,但当时人们对它的起因却一无所知。直到1913年,玻尔才对此做出了明确解释。但是,波尔理论不能很好地解释观测到的原子光谱学特征,甚至在对氢原子光谱学的进一步研究中也遇到了困难。
20世纪发展起来的量子力学能较好地解释谱线成因。电子既有轨道角动量,又有自旋角动量。将两者结合便能成功解释光谱线的分裂现象。
1925年, Ulenbeck和 Guzmitt首先提出了电子自旋的概念,作为一个假设,以解释碱金属原子光谱的测量结果。电子自旋(包括质子自旋和中子自旋)这一概念,由于其坚实的理论基础,在狄拉克的相对论量子力学中成为了基本方程的自然结果,而没有作为一个特殊的假设。
一八八二年,罗兰发明了凹面光栅,即在凹面球上直接刻划划痕。凹面光栅实际上是一种高效的集成光学仪器成像系统元件的器件,它解决了当时棱镜光谱仪遇到的难以克服的困难。凹表面光栅的出现,不仅简化了光谱仪的结构,而且改善了其性能。
凹表面光路图
一八九六年,塞曼将光源置于磁场中,观察磁场对光的三线关系,发现它们都是极化的。这就是所谓的塞曼效应。第二年,洛伦兹对这种影响做出了令人满意的解释。Semann效应不仅在理论上有重要意义,在实际应用中也很重要。Semann效应是复杂光谱分类中的一种有效方法,有助于人们对复杂光谱的认识。
波耳的理论应用于光谱分析,它能较好地解释光谱的激发过程、光谱线强度等。将光谱的绝对强度应用于谱线相对强度的测定,为光谱方法从定性到定量的研究奠定了基础。因此,逐步走出实验室,将光谱分析方法应用于工业领域。
自1928年以来,随着光谱分析技术在工业上的应用,光谱分析仪器发展迅速,一方面可以提高激发光源的稳定性,另一方面也可以提高光谱仪器的自身性能。最初的光源是火焰激发谱,后来发展到将简单的电弧和电火花作为激发源,在30年代和40年代改进后,将控制电弧和电火花作为激发源,提高了光谱分析的稳定性。光谱学方面的进步,促使光学仪器的进一步改进,而后者又反作用于前者,推动了光谱学的发展和工业生产的发展。
 
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