光譜學（Spectroscopy）是光學的一個分支學科，主要研究各種物質的光譜的產(chǎn)生及其物質與不同頻率電磁波之間的相互作用。
最早的光譜研究可以追溯到1666年，牛頓（Isaac Newton）把通過玻璃棱鏡的太陽光分解成了從紅光到紫光的各種色光。基爾霍夫（Gustav Robert Kirchhoff）和本生（Robert Wilhelm Bunsen）通過對約瑟夫·馮·夫瑯和費（Joseph von Fraunhofer）光源的解釋確認了太陽光源線是物質存在的標志，創(chuàng)立了最早的精確光譜分析的方法。從19世紀中葉起，氫原子光譜一直是光譜學研究的重要課題之一。瑞士科學家約翰·巴耳末（Johann Jakob Balmer）找到一個經(jīng)驗公式巴耳末系來說明已知的氫原子譜線的位置。此后雖然觀測到各種原子的光譜特征，但無法解釋，直到20世紀發(fā)展起來的量子力學才完美解釋了光譜線的分裂現(xiàn)象。
光譜學是通過測量物質內(nèi)部輻射能的變化從而進行分析的方法，一般分為發(fā)射光譜學、吸收光譜學、散射光譜學和激光光譜學。光譜是物質的指紋，是原子分子物理、化學反應動力學、大氣環(huán)境監(jiān)測、高靈敏度氣體監(jiān)測、工業(yè)過程控制和醫(yī)學診斷等的重要手段。光譜學是一門跨學科的技術，廣泛應用于醫(yī)學、物理學、化學和天文學等領域。
學科概述
光譜學是一門主要涉及物理及化學的重要交叉學科，光學的一個分支學科。光譜是復色光經(jīng)過色散系統(tǒng)，如利用棱鏡、光柵、傅里葉變換等手段進行分光，形成單色光，即將一束電磁輻射的某項性質，解析成此輻射的各個組成波長對此性質的貢獻。各個輻射波長都具有各自的特征強度，解析后的電磁輻射（單色光）按照波長（或頻率）大小進行有序排列，形成圖表。按照光與物質的作用形式，光譜一般可分為吸收光譜、發(fā)射光譜、散射光譜等，這些不同種類的光譜學從不同方面提供物質微觀結構知識及不同的化學分析。
通過研究各種物質的光譜的產(chǎn)生，并利用光譜研究物質結構、物質與電磁輻射相互作用以及對所含成分進行定性和定量分析。通過光譜可以研究原子、分子等的能級結構、能級壽命、電子的組態(tài)、分子的幾何形狀、化學鍵的性質、反應動力學等多方面的物質結構。
發(fā)展簡史
牛頓光譜
光譜學的研究可以追溯到17世紀。1666年，艾薩克·牛頓（Isaac Newton）通過光的色散實驗（棱鏡分解太陽光）發(fā)現(xiàn)小行星1185具有七色，即從紅光到紫光的光譜，發(fā)展出了顏色理論，這可算是對光譜最早的研究。牛頓對太陽光譜的研究的成果是一項劃時代的成就，開創(chuàng)了光譜學這一嶄新的科學天地。1752年英國托馬斯·梅爾維爾（Thomas Melvill）報告了他對多種物質產(chǎn)生的火焰光譜的研究，發(fā)現(xiàn)包括鈉譜線在內(nèi)的一些譜線。梅爾維斯的發(fā)現(xiàn)是牛頓色散研究以后的重要發(fā)現(xiàn)。
1800年，英國天文學家威廉·赫歇爾（Friedrich Wilhelm Herschel）研究太陽光譜的各種色光的熱作用，發(fā)現(xiàn)太陽光譜中紅外波段有輻射，這是首次探測到天體的紅外輻射，他科學地推測得出了紅外輻射的性質；他還發(fā)現(xiàn)了不連續(xù)的吸收光譜。1801年，約翰·威廉·里特（Johann Wilhelm Ritter）從氯化銀變黑肯定了在紫端之外存在另一種看不見的光輻射，從而發(fā)現(xiàn)了紫外線，還根據(jù)這一化學作用判斷紫外線比可見光具有更高的能量。1802年，英國科學家威廉?海德?沃拉斯頓（William Hyde Wollaston）觀察到太陽光譜的不連續(xù)性，發(fā)現(xiàn)中間有多條黑線。蘇格蘭科學家、愛丁堡大學前校長布儒斯特（David Brewster）觀測經(jīng)過氣體吸收的光譜，并與太陽光譜做比較，證明了太陽大氣中含有亞硝酸氣。首次用光譜分析法確定星體中的組成成分，促進了光譜學與光譜分析的研究和應用。
夫瑯和費譜線
1814~1822年，約瑟夫·馮·夫瑯和費（Joseph von Fraunhofer）在太陽的光譜中發(fā)現(xiàn)了576條黑線，即夫瑯和費線。他發(fā)現(xiàn)了太陽光譜中的吸收線，認識到它們相當于火花和火焰中的發(fā)射線。他第一個定量地研究了衍射光柵，用其測量了光的波長，給出了光柵方程，隨后制成了衍射光柵。
1848年喬治·斯托克斯（George Gabriel Stokes）發(fā)表了有關光譜的研究，對太陽光譜中的暗線（即約瑟夫·馮·夫瑯和費線）作出解釋。同年，阿曼德·斐索（Armand Hippolyte Louis Fizeau）用分光儀觀察了天體光譜，使用起偏振器從而獨立地發(fā)現(xiàn)光波的多普勒效應，因此又稱為多普勒—斐索效應。1849年傅科（Jean-Bernard-Léon Foucault）研究吸收光譜和發(fā)射光譜的關系，發(fā)現(xiàn)碳極間的電弧光光譜中橙黃色部分的明亮雙線與約瑟夫·馮·夫瑯和費譜線中D1、D2位置恰好一致。
在1849年，傅科研究了碳極間電弧光的光譜產(chǎn)生，發(fā)現(xiàn)了黃橙兩色之間有兩條明線，他用鉆石刻刀在玻璃上刻成透射光柵，刻線寬度達0.04~0.6毫米，他測得鈉D線波長為0.00058877毫米，這一精確的數(shù)值，約瑟夫·馮·夫瑯和費是第一位用衍射光柵測量波長的科學家，被譽為光譜學的創(chuàng)始人。雖然光柵有很多優(yōu)點，如光柵色散率均勻（克服了棱鏡色散率不均勻的缺陷），但對光的吸收很有限等制作要求很難普及。后來改進刻制技術，為以后安德斯·埃格斯特朗（Anders Jonas ?ngstr?m）編制詳細太陽光譜圖奠定了基礎。
基爾霍夫和本生的光譜論
物理學家和化學家共同開創(chuàng)了光譜學這門實用性學科。1853年，埃格斯特朗最先從氣體放電的光譜中確定了氫的Hα譜線，證明它就是約瑟夫·馮·夫瑯和費在太陽光譜中發(fā)現(xiàn)的C線；另外三根在可見光波段內(nèi)，即Hβ、Hγ、Hδ譜線，并精確測量了它們的波長。同年，德國化學家化學家羅伯特·本生（Robert Wilhelm Bunsen）發(fā)明了著名的本生燈，燈的溫度可以達到2300攝氏度，沒有顏色，可以使他發(fā)現(xiàn)各種化學物質的顏色。不同物質在燈上燃燒的時候，發(fā)出不同的焰色，為他建立光譜分析提供了機遇。1859年本生和德國物理學家古斯塔夫·基爾霍夫（Gustav Robert Kirchhoff）一起發(fā)明了第一臺真正意義上的光譜儀（直筒望遠鏡結合三棱鏡，讓光線進入三棱鏡分光）。根據(jù)這一裝置，1859年基爾霍夫對光的吸收和發(fā)射之間的關系進行深入研究，并且發(fā)現(xiàn)了定量的關系，這就是基爾霍夫定律。以后又根據(jù)分光裝置，發(fā)現(xiàn)與，開創(chuàng)了實用光譜學。
基爾霍夫根據(jù)熱平衡理論導出，任何物體對電磁輻射的發(fā)射本領和吸收本領的比值與物體特性無關。是波長和溫度的普適函數(shù)，即與吸收系數(shù)成正比。并由此判斷：太陽光譜的暗線（約瑟夫·馮·夫瑯和費線）是太陽大氣中元素吸收的結果；夫瑯和費線與各種元素的原子發(fā)射譜線處于相同波長的位置。這些黑線的產(chǎn)生是由于在太陽外層的原子溫度較低，因而吸收了由較高溫度的太陽核心發(fā)射的連續(xù)輻射中某些特定波長造成的。這給太陽和恒星成分分析提供了一種重要的方法，天體物理由于應用光譜分析方法而進入了新階段。
巴耳末系
從19世紀中葉起，氫原子光譜一直是光譜學研究的重要課題之一。在試圖說明氫原子光譜的過程中，所得到的各項成就對量子力學法則的建立起了很大促進作用。這些法則不僅能夠應用于氫原子，也能應用于其他原子、分子和凝聚態(tài)物質。1885年，從事天文測量的瑞士科學家約翰·巴耳末（Johann Jakob Balmer）找到一個經(jīng)驗公式來說明已知的氫原子譜線的位置，此后便把這一組線稱為巴耳末系。巴爾末公式如下：
光譜化學分析法使人們可以探測出太陽、恒星以及其他不可接近的光源中某些元素的存在，為以后天體化學的研究打下了堅實的基礎。1859年10月20日，基爾霍夫向柏林科學院提交報告，指出經(jīng)過光譜分析，證明了在太陽里存在著多種已知的元素，如氫、鈉、鐵、鈣、等。本生和基爾霍夫合作，用這種光譜化學分析方法準確地鑒別出各種物質的成分，發(fā)現(xiàn)了元素銫和銣。
埃格斯特朗光譜論
1861年，英國化學家威廉·克魯克斯（William Crookes）用光譜法發(fā)現(xiàn)了鉈。1862年時埃格斯特朗在太陽的大氣層中發(fā)現(xiàn)了氫和其他元素，并找到了氫原子光譜。他總結了基本的光譜分析原理，為太陽光譜的輻射波長繪制了標準太陽譜圖表，記錄了太陽光譜中上千條譜線的波長。埃格斯特朗的研究奠定了日后氣體光譜的檢測，意義十分重大。他對光譜學的發(fā)展起到了積極的推動作用，是光譜學研究鏈條上重要的一環(huán)，承上啟下，非常關鍵。布儒斯特（David Brewster）、約瑟夫·馮·夫瑯和費、埃格斯特朗被認為是光譜學的奠基者。此外，馬赫（Ernst Mach）（研究熾熱氣體的光譜）、阿貝（Ernst Karl Abbe）（使物鏡色差校正擴展到整個光譜區(qū)）和詹姆斯·杜瓦（James Dewar）都在光譜學研究中做出了貢獻。杜瓦呂振羽人合作，通過光譜來分析物質的組成并研究太陽的組成。杜瓦可謂是光譜分析法的先驅之一。
1863年德國著名的化學家威廉·賴希（Wilhelm Reich）和其助手里希特（J.B.Jeremias Benjamin Richter）也是用光譜法發(fā)現(xiàn)了新元素，他們研究閃鋅礦的鉈光譜時，發(fā)現(xiàn)一條藍色光譜。以后又用光譜法發(fā)現(xiàn)了鎵、、鍺等。光譜分析法的確立，開創(chuàng)了光譜分析的新時代，為元素定性鑒定和新元素發(fā)現(xiàn)開辟了一條新路。此后，光譜分析法被廣泛采用，很快成為物理，化學和天文學界開展科學研究的重要手段，人類應用光譜技術共發(fā)現(xiàn)了18種元素。光譜分析法被稱為“化學家的眼睛”。
近現(xiàn)代時期
1889年，瑞典光譜學家里德伯（Johannes Rober Rydberg）發(fā)現(xiàn)了許多元素的線狀光譜系，其中最為明顯的為堿金屬原子的光譜系，它們也都能滿足一個簡單的公式。盡管氫原子光譜線的波長的表示式十分簡單，不過當時對其成因卻茫然不知。1896年，荷蘭物理學家彼得·塞曼（Pieter Zeeman）把光源放在磁場中來觀察磁場對光三重線，發(fā)現(xiàn)這些譜線都是偏振的。現(xiàn)在把這種現(xiàn)象稱為塞曼效應。在復雜光譜的分類中，塞曼效應是一種很有用的方法，它有效地幫助了人們對于復雜光譜的理解。1913年，阿格·玻爾（Aage Niels Bohr）才對氫原子光譜作出了明確的解釋。但玻爾理論并不能解釋所觀測到的原子光譜的各種特征，對氫原子光譜的進一步的解釋也遇到了困難。能夠圓滿地解釋光譜線成因的是20世紀發(fā)展起來的量子力學。電子不僅具有軌道角動量而且還具有自旋角動量。這兩種角動量的結合成功地解釋了光譜線的分裂現(xiàn)象。
第二次世界大戰(zhàn)后，一大批闡述光譜分析應用和光譜儀器的專著問世。20世紀50—60年代原子吸收和原子熒光光譜分析技術有重大進展。到20世紀60年代，高強度、高單色性激光的出現(xiàn)給光譜學這門學科注入了新的活力，激光光源的優(yōu)越性被發(fā)揮的淋漓盡致。比如激光的單色性使分光器件分辨率提高，高強度提高了探測的靈敏度，而且強光與物質粒子的相互作用中，產(chǎn)生了各種可觀測的非線性光譜效應。光譜分析法具有分析速度快，操作簡便、不需要純樣品、可同時測定多種元素和化合物以及選擇性好、靈敏度高、樣品損壞小的特點。現(xiàn)代光譜分析技術已經(jīng)成為生命科學、環(huán)境科學與材料科學不可缺少的部分。
20世紀80年代后期，隨著計算機技術和化學計量研究的深入，發(fā)展了現(xiàn)代近紅外技術。太赫茲時域光譜（terahertztimedomainspectroscopy，THz-TDS）技術是這時由AT&T、Bell實驗室和IBM公司的T.J.Watson研究中心發(fā)展起來的太赫茲光譜技術。包括大部分分子的轉動能級和一部分振動能級，很多分子在這一波段都具有特征指紋，因而太赫茲光譜技術可以被用來研究材料的遠紅外性質和頻率的關系，這些關系可以更深入地了解與材料應用相關的重要的材料性質。目前已經(jīng)有很多方法可以得到材料的太赫茲光譜。THz-TDS技術基于利用飛秒激光技術獲得的寬波段太赫茲脈沖，具有高靈敏度、時間分辨相位信息、高信噪比等優(yōu)點，越來越多地被應用于各種材料特性的研究當中。
20世紀90年代飛秒激光的進步使非線性拉曼光譜學突破到了新領域，產(chǎn)生了一些新理念和新方法，使得對更復雜的系統(tǒng)和問題能夠進行攻關，并帶來了具有根本上的重要性的測量。非線性拉曼光譜學的新階段還推動了新光譜學概念的發(fā)展，包括時間分辨方案、寬帶光譜學、偏振測量，以及基于更高階非線性過程的CARS推廣。
學科分支
廣義說來，光譜學的頻率范圍從103赫（核自旋共振）起一直可延伸至1024赫（高能物理），范圈極為廣闊，并在各個額率區(qū)域形成了特定的光譜學分支，可分成發(fā)射光譜學、吸收光譜學、散射光譜學（特別是拉曼光譜學）、激光光譜學等。
發(fā)射光譜學
在發(fā)射光譜學中，通過對原子或分子進行激發(fā)，記錄下它們發(fā)射的特征波長組成的光譜。這些光譜以亮線形式出現(xiàn)在暗襯底上，通過這一現(xiàn)象可以進行光譜分析。分析過程包括將物質轉化為氣體狀態(tài)、激發(fā)發(fā)光、利用光譜儀將輻射分散成光譜，并記錄這些光譜。進而根據(jù)光譜特征對物質進行定性和定量分析。
定性分析通過識別發(fā)出的光譜線來確認元素的存在；而定量分析則依據(jù)譜線的強度來評估樣品中元素的濃度。經(jīng)典的激勵源如火焰、電弧和電火花在分析中發(fā)揮重要作用。特別地，在分子的發(fā)射光譜研究中，二原子分子的光譜是主要關注對象。
發(fā)射光譜可劃分為線狀、帶狀和連續(xù)三種類型。線狀光譜主要來源于原子，帶狀光譜則主要由分子產(chǎn)生，而連續(xù)光譜通常由白熾狀態(tài)下的固體或氣體放電產(chǎn)生。每種原子和分子獨有的能級結構和光譜系列，不僅提供了關于它們的能級結構的知識，還有助于確定重要的物理常數(shù)，并且是化學元素分析的重要手段。
分子的發(fā)射光譜相對復雜，因為分子中電子不僅圍繞原子核運動，還伴隨著原子核的振動和轉動。這些復雜的運動在分子光譜中得到體現(xiàn)，使得分子光譜成為研究分子能級結構的關鍵工具。
吸收光譜學
在吸收光譜學中，研究集中在分子對特定波長光的吸收現(xiàn)象。當連續(xù)波長的光通過某種物質時，物質會吸收其中某些特定波長的光。光譜儀將透過或反射的光展開，形成物質的吸收光譜。幾乎所有物質都有其獨特的吸收光譜，分子或原子團在特定波段的特征吸收表現(xiàn)為帶狀吸收譜。
紅外吸收光譜學特別重要，涉及分子內(nèi)部振動和轉動能級間的躍遷。這種光譜分析方法主要用于研究分子的能級結構和分子結構，也用于分子的定性和定量分析。吸收光譜方法對于有機物質特別有效，尤其適用于那些難以激發(fā)的原子或分子。
通過分析吸收光譜，可以識別分子和原子團，并定量分析它們的含量。吸收光譜學與發(fā)射光譜學相輔相成，共同為揭示物質微觀結構提供了重要信息。
散射光譜學
即以拉曼散射為對象的光譜學。當光在物質中傳播時，由于介質中微粒的存在或介質不均勻性，部分光線會偏離原方向，發(fā)生散射。在散射過程中，除了入射光的頻率外，還可能出現(xiàn)新頻率的光，這種現(xiàn)象稱為拉曼散射，其光譜即為拉曼光譜。
拉曼散射是一種特殊效應，類似于X射線散射中的康普頓效應，其中光的頻率會發(fā)生變化，這種變化稱為拉曼頻移，它取決于散射物質的特性。拉曼光譜的產(chǎn)生與多種因素有關，包括分子的振動、旋轉、電子轉移、磁場中的自由電子轉移、自旋波、等離子波、聲波等。
拉曼光譜分析能夠對化合物進行定性和定量分析，測定分子的振動和轉動頻率及相關常數(shù)，揭示分子內(nèi)部或分子間的作用力，推斷分子結構的對稱性和幾何形狀。拉曼光譜在物理學、化學、生物學等多個領域都有應用。由于其將紅外區(qū)的分子能譜轉移到可見光區(qū)進行觀測，拉曼光譜成為紅外光譜的重要補充，是研究分子結構的重要工具。
拉曼頻移產(chǎn)生的譜線對稱分布在入射光兩側，低頻側的稱為斯托克斯線，高頻側的為反斯托克斯線，兩者與入射光的頻率間隔相等，但斯托克斯線的強度通常遠大于反斯托克斯線，因此在實驗中主要測量斯托克斯線。
在散射光譜學中，拉曼頻率、強度、偏振等信息反映了散射物質的性質，這些數(shù)據(jù)有助于了解物質的結構和組成成分。拉曼效應源于分子振動（和點陣振動）與轉動，因此拉曼光譜能夠提供分子振動能級、點陣振動能級和轉動能級結構的知識。
激光光譜學
激光光譜學作為光譜學的一個分支，其核心在于使用激光作為光源。激光技術的應用，特別是20世紀70年代初可調諧染料激光器的發(fā)明，為光譜學領域開辟了眾多新方向。激光的高強度、高單色性和可調諧性，特別是其飛秒甚至更短脈沖寬度的特性，推動了激光光譜學的多樣化發(fā)展。
激光光譜學衍生出多個分支，包括但不限于光聲光譜、光熱光道、光電流光譜、激光透導熒光譜、雙共振光譜、激光拉曼譜、非線性激光光譜學（涉及飽和光譜、偏振光譜、多光子光譜等）、時間分辨光譜學、相干光譜學（包括能級交叉光譜、量子拍光譜、關聯(lián)光譜等）、冷原子光譜、單離子光譜、超高分辨率光譜學、超靈敏光譜學等。這些技術使得科學家能夠深入研究物質的結構、能譜、瞬態(tài)變化和微觀動力學過程，包括弛豫規(guī)律，揭示了光與物質相互作用中的光物理、光化學和光生物學過程的細節(jié)。
此外，激光光譜學還包括基于研究物質分類的分支，如原子光譜學、分子光譜學、凝聚態(tài)光譜學、晶體光譜學等，以及以研究方法命名的分支，例如傅里葉變換光譜學（FTS）、腔衰蕩光譜學（CRDS）、頻率梳光譜學等。這些技術在化學、生物學、醫(yī)學、環(huán)境科學、材料科學等多個領域中都有廣泛的應用，成為探索物質世界奧秘的重要工具。
研究內(nèi)容
光譜學是一門深入分析物質與電磁波相互作用的學科，其核心目標是揭示物質的微觀結構和宏觀特性。通過光譜分析，科學家可以詳細勾畫原子和分子的能級結構，包括它們的排布和壽命，同時獲取電子組態(tài)、分子的幾何形狀以及化學鍵本質的關鍵信息。研究不僅限于物質的靜態(tài)結構，也包括動態(tài)過程，例如化學反應速率，以及天文學中遙遠天體中元素的分布情況。
光譜學的研究內(nèi)容進一步擴展到理解物質與電磁波相互作用產(chǎn)生的光譜特征。光譜，作為按波長有序排列的電磁輻射集合，其特征強度顯示了物質在不同波長的吸收或發(fā)射特性，允許進行物質的定性和定量分析。
光譜學研究了多種光與物質相互作用的方式：在吸收過程中，物質對特定波長光的吸收形成了具有診斷價值的吸收光譜；散射現(xiàn)象中，拉曼散射引入了新的頻率，為研究分子的振動和轉動提供了重要手段；牛頓的色散實驗闡明了白光由不同顏色光組成，解釋了物質顏色的成因；光電效應揭示了光子的微粒性質，推動了量子力學的發(fā)展；晶體壓電效應展示了電場與晶體形變之間的聯(lián)系，加深了對晶體物理性質的理解。這些研究成果構成了光譜學的基礎，并為探索物質的組成、結構和動力學特性提供了理論和實驗方法。
光與物質的相互作用方式
光譜學通過研究物質與光相互作用的方式，揭示了物質的微觀結構和宏觀特性，包括：
吸收：物質對通過它的連續(xù)波長光束中的特定波長成分吸收，導致這些成分減弱。這種吸收行為通過光譜儀轉換成吸收光譜，反映了物質內(nèi)部能級的躍遷，與發(fā)射光譜互為補充，為原子和分子的能級結構提供了關鍵信息；
散射：光在介質中傳播時，由于存在微粒或介質不均勻性，部分光線偏離原方向散射。拉曼散射是其中一種散射過程，它產(chǎn)生了新的頻率，即拉曼光譜，為分子振動和轉動等性質的研究提供了重要手段；
色散：色散現(xiàn)象表明不同顏色的光在介質中的傳播速度存在差異，這一發(fā)現(xiàn)對理解光與物質相互作用的基本規(guī)律具有重要意義。例如牛頓在1666年通過三棱鏡的研究試驗，將白光分解為不同顏色的光譜帶，揭示了物質顏色的成因。
電磁輻射與物質內(nèi)部結構（能級等）的關系
1887年，赫茲在進行電磁波的實驗時發(fā)現(xiàn)了一個現(xiàn)象：當紫外線照射到圓環(huán)接收器間隙的電極上時，火花放電變得容易了。后來其他科學家又發(fā)現(xiàn)，用紫外線照射與驗電器相連的帶負電的鋅板時，驗電器的金箔立即閉合；用紫外線照射與驗電器相連的不帶電的鋅板時，驗電器帶正電。通過這些現(xiàn)象人們認識到，用紫外線照射金屬時，電子會從金屬表面飛出來。這種在光的照射下物體中發(fā)射電子的現(xiàn)象，叫做光電效應。光電效應中發(fā)射出來的電子叫做光電子。實驗表明，不僅紫外線能產(chǎn)生光電效應，用可見光照射堿金屬（如鋰、鈉、鉀、銫等），也能產(chǎn)生光電效應。為了解釋光電效應的現(xiàn)象，科學家引人了“光子”這個概念。阿爾伯特·愛因斯坦也因為利用光子成功地解釋了光電效應而獲得了1921年的諾貝爾物理學獎。光量子既是一種微粒，又是一種電磁波。光子說就把幾百年來爭論不休的兩種觀點，即光的微粒說和波動說統(tǒng)一了起來。至此，人類對光的認識完成了第二次飛躍。
水晶壓電效應
晶體壓電效應是物質在機械壓力作用下產(chǎn)生電極化的現(xiàn)象，其研究歷程最早在1880年被居里兄弟首次觀察到這一現(xiàn)象，即石英晶體在受壓后產(chǎn)生電量變化。基于能量守恒和電量守恒定律，壓電效應的逆過程為：在電場作用下，石英會發(fā)生形變。嚴濟慈通過精確的實驗方法，采用單色光干涉法，成功測量了石英在不同方向和不同電壓下因電場作用而產(chǎn)生的微小形變，從而驗證了壓電效應的逆過程，并揭示了其普遍規(guī)律。
中國物理學家嚴濟慈通過研究發(fā)現(xiàn)電場作用下水晶的雙折射現(xiàn)象，即在垂直于電軸方向施加電壓時，該方向的雙折射增強，而在垂直于光軸和電軸的第三軸方向，雙折射減弱；負電壓作用下效果則相反。
研究方法
光譜實驗
基于電磁輻射與物質相互作用產(chǎn)生的特征光譜波長與強度進行物質分析的方法。它涉及物質的能量狀態(tài)、狀態(tài)躍遷以及躍遷強度等方面。通過對物質的組成、結構及內(nèi)部運動規(guī)律的研究，可以解釋光譜學的規(guī)律；通過對光譜學規(guī)律的研究，可以揭示物質的組成、結構及內(nèi)部運動的規(guī)律。
當待測物質與輻射能發(fā)生作用時，物質內(nèi)部因為量子化能級之間的躍遷會產(chǎn)生發(fā)射，吸收和散射等輻射能的變化，光譜學技術即是通過測量這些輻射能的變化從而進行分析的方法，是光分析的一個重要部分。常用的光譜學技術有紫外—可見光譜法、熒光光度法、紅外光譜法，核磁共振光譜法、原子吸收光譜法，原子熒光光譜法，化學發(fā)光光譜法和生物發(fā)光光譜法等。光譜實驗中，所有能夠研究光的吸收、發(fā)射和散射的儀器被稱為光譜分析儀器，一般是由光源、單色器、吸收池、光電檢測器和指示儀表等五大部分組成。
理論計算
在光譜學中，將電磁波按其頻率（或波長）的高低為序排列，稱為電磁波譜。光波是整個電磁波譜中的一個特殊波段，其長波段與微波段相接，短波段與X射線部分重疊。電磁波與物質相互作用時產(chǎn)生的吸收譜或發(fā)射譜，可以用多種方式給出關于分子結構和分子與周圍環(huán)境相互測量譜線的波長，可以確定原子或分子系統(tǒng)的能級。譜線強度正比于躍遷幾率，它量度了分子躍遷的兩個能級之間的耦合強度。因為躍遷幾率依賴于兩個能級上的波函數(shù)，強度測量可以證實被激發(fā)電子的空間電荷分布，而這只能從薛定諤方程的近似解中粗略地計算出來。利用特殊的技術，可以分辨出譜線的自然線寬，從而確定分子激發(fā)態(tài)的平均壽命。測量多普勒寬度可以給出發(fā)射或吸收光子的分子的速度分布，從而得到樣品的溫度。從譜線的壓強展寬和壓強移動中，可以得到關于碰撞過程和原子間勢場的信息。
學科應用
天體觀測
光譜分析
天體物理由于應用光譜分析方法而進入了新階段。約瑟夫·馮·夫瑯和費被譽為天體光譜學創(chuàng)始人，而英國天文學家威廉·哈金斯（William Huggins）也是天體光譜學的先驅者，他首先把光譜分析應用于恒星研究，并將照相術用于光譜研究。哈金斯用光譜學方法區(qū)分了星系和氣體星云，他還用運動恒星光譜線中的多普勒頻移來推斷恒星運動的速度。基爾霍夫（Gustav Kirchhoff）用光譜學的方法研究了太陽光獲得了大量光譜線，證實太陽是由已知的化學元素組成的。之后不久，對太陽光譜的研究讓人們發(fā)現(xiàn)了氦元素。
印度物理學家梅格納德·薩哈（Meghnad Saha）在1920年導出熱電離方程，這一方程被廣泛用于恒星光譜數(shù)據(jù)的解譯，解釋恒星的光譜分類。薩哈認為，恒星光譜形態(tài)與恒星溫度有關。恒星溫度越高，恒星中物質原子內(nèi)的電子能級就越高它們會躍遷到更外側的電子軌道上。而只要熱量足夠，最散逸層的電子就會逃離原子束縛而成為自由電子，留下一個帶正電荷的離子，并在光譜中留下痕跡。
光譜學研究顯示，恒星含有地球上都有的各種元素，包括、硅、鋁和鐵等。英國天文學家塞西莉亞·佩恩-加波施金，將當時最新的原子結構與量子物理理論應用于對哈佛大學光譜資料的分析，最終于1925年揭示了氫構成了太陽的主要成分，氫和氦這兩種原子量最小的元素的含量要遠遠超越其他元素。
星系光譜
20世紀初，美國天文學家維斯托·斯里弗（Vesto Melvin Slipher）對旋渦星云光譜作過十多年的研究，對41個河外星系的光譜進行了分析，發(fā)現(xiàn)36個星系的譜線紅移現(xiàn)象。
1933年，瑞士天文學家弗里茨·茲威基（Fritz Zwicky）利用光譜紅移測量了后發(fā)星系團中各個星系相對于星系團的運動速度。他運用維里定理在計算后發(fā)座星系團的引力質量時，提出宇宙中存在大量“看不見的物質”，也就是現(xiàn)在所說的暗物質。40多年后，美國天文學家魯賓（Vera Rubin）通過研究發(fā)現(xiàn)了暗物質存在的證據(jù)，她利用高精度的光譜測量技術探測到遠離星系核區(qū)域的外圍星體繞星系旋轉速度和距離的關系，最終得到了星系中可能有大量的不可見物質的結論。
X射線天文學
美國物理學家蘇布拉馬尼揚·錢德拉塞卡（Subrahmanyan Chandrasekhar）用量子力學方法計算了作為中介光譜型恒星大氣不透明度源泉的氫負離子吸收系數(shù)。而錢德拉望遠鏡被認為是X射線天文學上具有里程碑意義的太空望遠鏡，它標志著X射線天文學從測光時代進入了光譜時代。
天體信息推斷
天文學家利用光譜學可以揭示天體的豐富信息，包括天體與地球的距離、化學組成、年齡、形成歷史和溫度等。星系光譜中的氫—阿爾法譜線強度，特別指示了星系中年輕恒星的數(shù)量。通過比較觀測到的星系光譜與地球上實驗室測量的波長特征，天文學家可以確定光在到達地球過程中被拉長的程度，從而準確測量星系的距離。
探測系外行星
多普勒效應使天文學家能夠探測圍繞恒星的行星。當恒星因周圍行星的引力擾動而發(fā)生視線方向的速度變化時，會產(chǎn)生光譜的紅移或藍移。瑞士科學家米歇爾·馬約爾和迪迪埃·奎洛茲正是利用這一效應和高精度光譜儀，通過觀察恒星飛馬座51的光譜變化，發(fā)現(xiàn)了首顆圍繞主序星的系外行星飛馬座51b。這一發(fā)現(xiàn)為視向速度法探測系外行星提供了有力證據(jù)，開啟了天文學家探索宇宙中更多未知世界的新篇章。
材料研究
識別原子種類
X射線分析技術是一種借助X射線來識別原子種類的高技術。X光機發(fā)射X射線激發(fā)樣品中元素，使之發(fā)射特征X射線，測定這些特征X射線的能量和強度，可以確定是什么元素，含量多少。而輕便的放射性同位素源激發(fā)的X射線熒光儀是一個便攜的、只2~3千克重的，主要用于現(xiàn)場無損直接激發(fā)和測量巖石、礦物中元素的特征X射線，用以確定元素及其含量。
原子結構分析
紅外光譜可以研究分子的結構和化學鍵以及測定分子的鍵長和鍵角，利用這個可以測定如力常數(shù)、分子對稱性等，并由此推測分子的立體模型。分子中的某些化學鍵或技能團雖然在不同化合物中，但是他們所對應的譜帶波數(shù)基本上是固定的或只在小波段范圍內(nèi)變化，例如甲基、CH2、羰基、氰基、羥基、氨基等在紅外光譜中都有特征吸收。因此通過紅外光譜測定，可以判定未知樣品中含有哪些有機官能團，最終可以確定未知物的化學結構。
隨著當代紅外光譜技術的發(fā)展，紅外光譜的應用不僅能對樣品進行簡單的常規(guī)測試，還能推斷化合物組成。紅外光譜儀與其他多種測試手段聯(lián)合使用衍生出許多新的分子光譜領域，例如，紅外光譜儀與色譜技術聯(lián)合可以認識復雜的混合物體系中各種組分的化學結構；紅外光譜儀與顯微鏡方法相結合，形成紅外成像技術，用于研究非均相體系的形態(tài)結構。
醫(yī)學治療
由于血液與組織間的密切聯(lián)系，癌細胞或其它病變的特異性必然反映在血液中內(nèi)環(huán)境的改變，或與癌細胞代謝有關的產(chǎn)物腫瘤標志物的滲入。由于這些腫瘤標志物的含量極微，一般的檢測技術很難將其測出。應用光致電致發(fā)光技術使其特定分子結構發(fā)光而產(chǎn)生熒光，則很容易顯示出血液中腫瘤標志物或其它病變標志物特征峰的存在。因為正常組織光譜峰值位置與病變組織光譜峰值位置可能不同，也可根據(jù)其熒光強度的強弱推測其含量的多少或者根據(jù)吸收光譜的方法可以測定某些元素含量，為醫(yī)學診斷提供依據(jù)。
拉曼光譜是全世界廣泛應用的一項分析技術。近十幾年，技術的進步使得制造小斷面柔順的血管內(nèi)拉曼導管成為可能。拉曼光譜導管系統(tǒng)已被建立并應用于人冠狀動脈中，獲得了整個管腔的化學濃度等值圖。血管壁里的脂質及其亞型，如膽固醇和膽固醇酯，可被鑒定出來，濃度測量平均誤差<3%。拉曼導管系統(tǒng)測量的血管壁化學濃度等值圖與組織學結果基本一致，尤其適用于檢測薄帽的纖維粥樣硬化病變。
藥物開發(fā)
偏導數(shù)光譜通常比正常的零階導數(shù)光譜包含更多的表觀光譜細節(jié)。導數(shù)分光光度法是一種非常有用的分析方法，用于分離具有重疊光譜的藥物混合物。此外，還成功地應用于有降解產(chǎn)物存在的藥物的測定，以及有藥物添加劑和分解產(chǎn)物存在的單個藥物的測定。應用于藥物分析的熒光技術提高了分析過程的靈敏度、選擇性、準確性和快速性。例如，熒光法已被應用于直接測定恩諾沙星和氟哌啶醇。近紅外光譜也可用于定量復雜基質中特定化合物的測定，例如藥物制劑專業(yè)。核磁共振波譜法可用于原料藥的鑒別、合成和降解過程中產(chǎn)生的物質的鑒別和定量，以及測定分析過程中殘留溶劑。核磁共振波譜技術廣泛應用于藥物分析中，用于藥物及其伴隨雜質的鑒別。
生物研究
性別鑒定
高光譜成像可用于卵內(nèi)性別測定。基于褐蛋品系中羽毛顏色的性別二型性，該技術在孵化第13天通過完整的蛋殼以高精度非損傷性檢測褐雌雞和黃白色公雞之間的差異。該技術通過同時測量樣本每個像素的輻射強度來捕獲三維圖像：二維代表空間信息，一維代表整個光譜的光譜信息。根據(jù)棕色產(chǎn)卵遺傳學中使用的性別連鎖金/銀因子，雄性有銀/白色羽毛，雌性有金/棕色羽毛，一旦第一根羽毛發(fā)出聲音，就可以使用高光譜成像進行胚胎顏色性別鑒定。
呼吸氣體分析
氣相色譜-質譜聯(lián)用技術（GC-MS）是長期以來呼吸氣體分析領域最常用的手段，可對肺癌、哮喘等疾病患者的呼吸標志物實現(xiàn)體積分數(shù)為10-9乃至10-12量級的高精度測量。隨著激光技術的發(fā)展，激光光譜技術以其高靈敏度、高選擇性、實時在線分析的特點，為呼吸氣體分析領域的研究提供了一種實現(xiàn)實時在線分析的可行性技術手段。激光穿過氣體混合物時具有選擇的吸收光譜，即不同的氣體分子有著自己的特征吸收“指紋”，位于譜線中界限分明的位置，這使激光光譜法成為無創(chuàng)呼吸分析領域中非常有用的一種方法。
2011年，大連理工大學于清旭研究組采用光聲光譜技術，針對腎病的呼吸標記物—氨氣實現(xiàn)了高濃度CO2和H2O背景下的高靈敏檢測。2014年，東芝公司推出了與早稻田大學聯(lián)合研發(fā)的呼吸氣體分析儀器。該儀器采用中紅外光源及腔增強光譜技術檢測呼吸氣體中的丙酮，用于內(nèi)分泌疾病診斷和人體代謝的研究。
文物保護
科學的檢測分析是現(xiàn)代文物保護修復工作的必要基礎和依據(jù)，無損檢測技術是文物檢測分析的首選方法。近紅外光譜結合化學計量學新型分析技術具有測試方便、安全無損、信息豐富、定量準確、分析對象廣泛等獨特優(yōu)勢。目前該技術在文物保護領域還處于起步階段，故宮博物院以及一些國外研究機構的文物保護學者率先將其用于書畫、絲織品、玉器等的研究工作，取得了可喜的成果，一定程度上解決了一些文物無損檢測方面的疑難問題，在天然材料鑒定、老化程度評估等定量信息的檢測與分析方面展現(xiàn)了廣闊的應用前景。
食品安全檢測
光譜技術在食品安全與質量控制中的研究，建立了拉曼、近紅外、質譜和核磁等數(shù)據(jù)庫，結合化學計量學方法實現(xiàn)了對雞蛋、豬肉、堅果、牛肉等食品新鮮度的無損、快速檢測技術，并明確了堅果油脂氧化過程和反復凍融牛肉各類物理化學性能的變化過程；通過開發(fā)金納米溶膠、核殼納米、整體柱、納米線陣列等系列表面增強拉曼光譜（SERS）材料，大幅度提高普通拉曼光譜的靈敏度，應用于食品中農(nóng)獸殘、抗生素、色素、非法添加物、重金屬、食源性致病菌以及其它污染物的檢測，其檢測時間和檢測限均低于傳統(tǒng)檢測方法。
針對拉曼光譜易受復雜基質的干擾，基于拉曼靜默區(qū)（1800-2800cm-1）建立了氰基類農(nóng)藥的SERS檢測方法，實現(xiàn)了對復雜食品中痕量有害物質的快速檢測。此外，利用碳量子點（cds）熒光光譜法快速測定了食品中氯霉素和海南霉素殘留量。
生態(tài)監(jiān)測
通過高光譜遙感，能夠同時獲取觀測目標的圖像和光譜，實現(xiàn)目標空間特征與光譜特征的同步探測。其光譜分辨率高達納米數(shù)量級，能夠更為精確地區(qū)分不同地物之間的細微差別。隨著高光譜遙感技術在環(huán)境監(jiān)測和評價中的研究不斷深入，高光譜遙感已經(jīng)成為實現(xiàn)環(huán)境評價的重要手段之一。人們通過研究植被覆蓋率、植被生長狀況、土壤有機質分析、土壤酸堿度檢測、水體分布、河流與湖泊的水質監(jiān)測以及環(huán)境生物量分析和生物分布等方面，實現(xiàn)了對沙漠、礦山、鹽堿地、植被與農(nóng)田等生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測。這些研究進展為高光譜遙感技術未來在環(huán)境的定量評價與自動監(jiān)測方面的研究提供依據(jù)。
工業(yè)過程控制
在工廠逐步提高自動化、智能化水平的背景下，工業(yè)生產(chǎn)過程中的傳統(tǒng)離線分析方法正逐步被在線分析儀表所取代。在線分析儀表可以實時監(jiān)測工業(yè)生產(chǎn)過程中影響產(chǎn)品質量的關鍵參數(shù)和屬性指標，其分析結果可以指導生產(chǎn)裝置的調節(jié)和優(yōu)化，保證生產(chǎn)裝置的安全穩(wěn)定運行，提高生產(chǎn)效率，降低能耗和成本。近年來，在線拉曼分析儀表因其快速、無損、非接觸式測量的特點得到了快速發(fā)展和廣泛應用。
關聯(lián)學科
天文學
用三棱鏡可以將太陽光色散成七色光，這個七色光也是太陽的光譜。天文學家是用特殊的方法將星光色散成“七色光”，星光的“七色光”就是天體的光譜。其實所謂顏色是不同波長的光，天文觀測上的光譜分辨率往往是遠高于七個顏色的，因此天文光譜就是一個天體在不同波長處的能量。
光譜中蘊含著一個天體的許多信息，有助于天文學家研究天體形成以及宇宙起源，因此，天文光譜分析有著巨大的意義和價值。
物理學
光譜學是一門主要研究物理學及化學的重要交叉學科，光譜學的研究對現(xiàn)代物理具有促進作用。對物質的吸收譜和發(fā)射譜的研究可以說是原子物理的基礎，對原子光譜的分立譜線特征的解釋導致了舊量子力學的產(chǎn)生。光譜分析還是研究宇宙中化學物質的重要手段，而引力紅移現(xiàn)象的測定則從實驗上從一個側面證實了阿爾伯特·愛因斯坦的廣義相對論。
分析化學
分析物質的組成是近現(xiàn)代科學技術的重要研究內(nèi)容，其代表學科就是分析化學。分析化學方法分為兩大類：經(jīng)典分析法和儀器分析法。在儀器分析法中，依據(jù)物質發(fā)射、吸收電磁輻射以及物質與電磁輻射的相互作用而建立的分析方法，稱為光學分析法。根據(jù)是否產(chǎn)生能級躍遷，光學分析法又可分稱光譜分析法和非光譜分析法。光譜分析方法是基于物質與輻射作用時，測量由物質內(nèi)部發(fā)生的能級躍遷而產(chǎn)生的發(fā)射、吸收或散射輻射的波長和強度，以此來鑒別物質及確定它的化學組成和相對含量的方法。
隨著光譜學的不斷發(fā)展，各種新的光譜被發(fā)現(xiàn)，不同的光譜分析方法也相繼建立，并出現(xiàn)相應的光譜分析儀器。光譜分析從原理上得到長期研究，理論上已經(jīng)趨近于完善，光譜分析已成為現(xiàn)代分析化學手段最多、應用最廣泛、功能最強大的分析方法之一。
前沿方向
在應用上，光譜學具有廣泛的前景，對醫(yī)學、環(huán)保、化工和能源研究等都有顯著的影響。特別是電子和激光光譜學技術大大挖掘了光譜學的分析潛力。盡管光譜分析方法本身的局限性是對某些元素的測定還有困難、基體效應難以避免、需要大量數(shù)據(jù)進行建模、價格昂貴等，這需要通過光譜學和光譜分析技術的發(fā)展來克服；另一方面，光譜分析技術需要與更多的聯(lián)用技術結合來擴大應用范圍，這也是未來光譜學領域發(fā)展的一個方向。例如便攜式光譜儀、高光譜遙感技術和超快光譜學的發(fā)展，不僅提升了現(xiàn)場材料分析、物質成分識別和瞬態(tài)現(xiàn)象探測的能力，還拓展了光譜學在工業(yè)、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)學和基礎科學研究等多個領域的應用。
便攜式光譜儀
隨著生產(chǎn)的發(fā)展，對金屬來料、設備材質、金屬廢料的現(xiàn)場檢測分析的需求日益深入，為了保證所采購和使用材料的正確性，現(xiàn)場金屬材料分析變得越來越重要，應用的場合越來越多，人們對便攜式光譜儀的需求也逐漸增加。便攜式光譜儀是在實驗室用光譜儀的基礎上研制而成的小型化光譜儀，既可在實驗室用又可滿足現(xiàn)場分析需要，而且在現(xiàn)場條件下仍保持很高的測量精度。便攜式光譜儀的應用領域已經(jīng)涉及鋼鐵、機械、航空航天、船舶、汽車、電力、石化、鍋爐和壓力容器等領域。
高光譜遙感技術
光譜分析是人類借助光認知世界的重要方式。如果說肉眼光學成像能看到物質的形狀、尺寸等信息，光譜分析則能獲取物質的成分信息。高光譜遙感實際上是一種簡稱，它的全稱叫“高光譜分辨率遙感”。它不像多光譜遙感中根據(jù)顏色的差異來分辨目標，而是根據(jù)譜段光譜曲線的形態(tài)來分析目標是什么。
高光譜遙感能在可見光到短波紅外范圍內(nèi)連續(xù)光譜成像，不僅光譜探測范圍超過了肉眼的感知，還能連續(xù)記錄數(shù)百個光譜波段。因此，用肉眼甚至普通的光學遙感不能識別的地面物體，這項技術都能夠更好地分辨出其內(nèi)在的物理、化學特性，甚至是物質的分子和原子結構。主要用于軍事、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理、地質學等領域，在醫(yī)學、生物、刑偵、考古、文物保護等領域也有廣泛的探索性應用。
超快光譜學
超快光譜分析技術是理解物質組成、分子演化和動力學的重要工具，涉及領域包括物理、化學和生物醫(yī)學等基礎科學，以及氣體示蹤和泄漏預警等應用科學。隨著飛秒激光的出現(xiàn)，光譜學的探測速度不斷被刷新。飛秒時域拉伸技術將記錄的瞬時現(xiàn)象展開到時域，降低了超快探測中的采樣速度要求，在超快成像、測距、單發(fā)脈沖光譜探測、非重復和罕見信號探測等領域發(fā)揮了重要作用。
超快光譜方法因其特有的極高時間分辨率、Fermi面以上電子激發(fā)態(tài)探測、全波長寬譜能量范圍的相互作用、相干態(tài)和集體激發(fā)態(tài)的產(chǎn)生和探測、表面界面對稱破缺的探測等優(yōu)勢在凝聚態(tài)物理特別是關聯(lián)量子材料的研究中有重要的應用，主要用于研究常壓下的凝聚態(tài)物性，人們利用該方法已在高溫超導機理、復雜相變、多自由度耦合、激光相干調控、誘導新奇量子態(tài)等方面取得了很多重要研究成果。
參考資料 >
薩哈公式.中國大百科全書.2024-05-12
引力透鏡.中國大百科全書.2024-05-12
錢德拉塞卡極限.中國大百科全書.2024-05-12
講解員:用光譜學的眼睛觀測宇宙.中國科學技術館.2024-03-27
解讀2019年諾貝爾物理學獎之系外行星發(fā)現(xiàn).江蘇省天文協(xié)會.2024-03-27
蛋雞胚胎性別機械鑒別. 中國畜牧業(yè)協(xié)會家禽業(yè).2024-03-27
謝云飛教授：光譜技術在食品安全與質量控制中的應用.食品科學網(wǎng).2024-03-27
中國“慧眼”仰望星空.中國科學院.2024-03-07
【北京日報】高光譜遙感就是“火眼金睛”.中國科學院.2024-03-07
壓力誘導的聲子瓶頸效應研究獲進展.中國科學院.2024-03-07