光谱学

光谱学（Spectroscopy）是光学的一个分支学科 ，主要研究各种物质的光谱的产生及其物质与不同频率电磁波之间的相互作用。

最早的光谱研究可以追溯到1666年，牛顿（Isaac Newton）把通过玻璃 棱镜 的太阳光分解成了从红光到紫光的各种色光。 基尔霍夫（Gustav Robert Kirchhoff）和本生（Robert Wilhelm Bunsen）通过对 约瑟夫·冯·夫琅和费 （Joseph von Fraunhofer）光源的解释确认了 太阳 光源线是物质存在的标志，创立了最早的精确 光谱分析 的方法。 从19世纪中叶起， 氢原子光谱 一直是光谱学研究的重要课题之一。 瑞士 科学家 约翰·巴耳末 （Johann Jakob Balmer）找到一个 经验公式 巴耳末系 来说明已知的氢原子 谱线 的位置。此后虽然观测到各种 原子 的光谱特征，但无法解释，直到20世纪发展起来的 量子力学 才完美解释了光谱线的分裂现象。

光谱学是通过测量物质内部 辐射能 的变化从而进行分析的方法， 一般分为发射光谱学、吸收光谱学、散射光谱学和 激光光谱学 。 光谱是物质的 指纹 ，是原子分子物理、 化学反应 动力学 、大气 环境监测 、高灵敏度气体监测、工业过程控制和医学诊断等的重要手段。 光谱学是一门跨学科的技术，广泛应用于医学、物理学、 化学 和 天文学 等领域。

学科概述

光谱学是一门主要涉及物理及化学的重要交叉学科，光学的一个分支学科。 光谱是复色光经过色散系统，如利用棱镜、光栅、 傅里叶变换 等手段进行分光，形成单色光，即将一束 电磁辐射 的某项性质，解析成此辐射的各个组成波长对此性质的贡献。各个辐射波长都具有各自的特征强度，解析后的 电磁辐射 （单色光）按照波长（或频率）大小进行有序排列，形成图表。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 、散射光谱等，这些不同种类的光谱学从不同方面提供物质 微观 结构知识及不同的 化学 分析。

通过研究各种物质的光谱的产生，并利用光谱研究物质结构、物质与 电磁辐射 相互作用以及对所含成分进行定性和 定量分析 。 通过光谱可以研究 原子 、分子等的 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 等多方面的物质结构。

发展简史

牛顿光谱

光谱学的研究可以追溯到17世纪。 1666年， 艾萨克·牛顿 （Isaac Newton）通过光的色散实验（ 棱镜 分解太阳光）发现 小行星1185 具有 七色 ，即从红光到 紫光 的光谱，发展出了颜色理论，这可算是对光谱最早的研究。 牛顿 对太阳光谱的研究的成果是一项划时代的成就，开创了光谱学这一崭新的科学天地。 1752年 英国 托马斯·梅尔维尔（Thomas Melvill）报告了他对多种物质产生的火焰光谱的研究，发现包括钠 谱线 在内的一些谱线。梅尔维斯的发现是牛顿色散研究以后的重要发现。

1800年，英国 天文学 家 威廉·赫歇尔 （Friedrich Wilhelm Herschel）研究 太阳 光谱的各种色光的热作用，发现太阳光谱中红外 波段 有辐射，这是首次探测到 天体 的红外辐射，他科学地推测得出了红外辐射的性质；他还发现了不连续的 吸收光谱 。1801年，约翰·威廉·里特（Johann Wilhelm Ritter）从 氯化银 变黑肯定了在紫端之外存在另一种看不见的光辐射，从而发现了 紫外线 ，还根据这一化学作用判断紫外线比 可见光 具有更高的能量。1802年， 英国 科学家 威廉•海德•沃拉斯顿 （William Hyde Wollaston）观察到 太阳 光谱的不连续性，发现中间有多条黑线。 苏格兰 科学家、 爱丁堡大学 前校长 布儒斯特 （David Brewster）观测经过 气体吸收 的光谱，并与 太阳 光谱做比较，证明了太阳大气中含有亚硝酸气。首次用光谱分析法确定星体中的组成成分，促进了光谱学与光谱分析的研究和应用。

夫琅和费谱线

1814~1822年，约瑟夫·冯·夫琅和费（Joseph von Fraunhofer）在 太阳 的光谱中发现了576条黑线，即夫琅和费线。他发现了 太阳 光谱中的吸收线，认识到它们相当于火花和火焰中的发射线。他第一个定量地研究了衍射 光栅 ，用其测量了光的波长，给出了光栅 方程 ，随后制成了衍射光栅。

1848年 乔治·斯托克斯 （George Gabriel Stokes）发表了有关光谱的研究，对 太阳 光谱中的 暗线 （即 约瑟夫·冯·夫琅和费 线）作出解释。同年，阿曼德·斐索（Armand Hippolyte Louis Fizeau）用分光仪观察了 天体 光谱 ，使用起偏振器从而独立地发现光波的 多普勒效应 ，因此又称为多普勒—斐索效应。1849年 傅科 （Jean-Bernard-Léon Foucault ）研究 吸收光谱 和 发射光谱 的关系，发现碳极间的 电弧 光光谱中橙黄色部分的明亮 双线 与 约瑟夫·冯·夫琅和费 谱线 中 D1 、D2位置恰好一致。

在1849年，傅科研究了碳极间电弧光的光谱产生，发现了黄橙两色之间有两条 明线 ，他用钻石刻刀在 玻璃 上刻成透射 光栅 ，刻线宽度达0.04~0.6毫米，他测得钠D线波长为0.00058877毫米，这一精确的数值， 约瑟夫·冯·夫琅和费 是第一位用衍射光栅测量波长的科学家，被誉为光谱学的创始人。虽然光栅有很多优点，如光栅色散率均匀（克服了 棱镜 色散率不均匀的缺陷），但对光的吸收很有限等制作要求很难普及。后来改进刻制技术，为以后安德斯·埃格斯特朗（Anders Jonas Ångström）编制详细 太阳 光谱图奠定了基础。

基尔霍夫和本生的光谱论

物理学家和化学家共同开创了光谱学这门实用性学科。1853年，埃格斯特朗最先从气体放电的光谱中确定了氢的Hα 谱线 ，证明它就是 约瑟夫·冯·夫琅和费 在太阳光谱中发现的C线；另外三根在 可见光 波段 内，即Hβ、Hγ、Hδ谱线，并精确测量了它们的波长。同年， 德国 化学家化学家 罗伯特·本生 （Robert Wilhelm Bunsen）发明了著名的 本生灯 ，灯的温度可以达到2300 摄氏度 ，没有颜色，可以使他发现各种 化学物质 的颜色。不同物质在灯上燃烧的时候，发出不同的焰色，为他建立 光谱分析 提供了机遇。1859年本生和德国物理学家 古斯塔夫·基尔霍夫 （Gustav Robert Kirchhoff）一起发明了第一台真正意义上的 光谱仪 （直筒望远镜结合 三棱镜 ，让光线进入三棱镜分光）。根据这一装置，1859年基尔霍夫对光的吸收和发射之间的关系进行深入研究，并且发现了定量的关系，这就是 基尔霍夫定律 。以后又根据分光装置，发现 与 ，开创了实用光谱学。

基尔霍夫根据 热平衡 理论导出，任何物体对 电磁辐射 的发射本领和吸收本领的比值与物体特性无关。是波长和温度的普适函数，即与吸收系数成正比。并由此判断： 太阳 光谱 的 暗线 （ 约瑟夫·冯·夫琅和费 线）是太阳大气中元素吸收的结果；夫琅和费线与各种元素的 原子 发射 谱线 处于相同波长的位置。这些黑线的产生是由于在太阳 外层 的原子温度较低，因而吸收了由较高温度的 太阳核心 发射的连续辐射中某些特定波长造成的。这给太阳和 恒星 成分分析提供了一种重要的方法， 天体 物理由于应用 光谱分析 方法而进入了新阶段。

巴耳末系

从19世纪中叶起， 氢原子光谱 一直是光谱学研究的重要课题之一。在试图说明氢原子光谱的过程中，所得到的各项成就对 量子力学 法则的建立起了很大促进作用。这些法则不仅能够应用于氢 原子 ，也能应用于其他原子、分子和凝聚态物质。 1885年，从事天文测量的 瑞士 科学家 约翰·巴耳末 （Johann Jakob Balmer）找到一个 经验公式 来说明已知的氢原子 谱线 的位置，此后便把这一组线称为巴耳末系。 巴尔 末公式如下：

光谱 化学 分析法使人们可以探测出 太阳 、 恒星 以及其他不可接近的光源中某些元素的存在，为以后 天体 化学的研究打下了坚实的基础。1859年10月20日，基尔霍夫向柏林科学院提交报告，指出经过 光谱分析 ，证明了在太阳里存在着多种已知的元素，如氢、钠、铁、钙、 等。本生和基尔霍夫合作，用这种光谱化学分析方法准确地鉴别出各种物质的成分，发现了元素铯和铷。

埃格斯特朗光谱论

1861年， 英国 化学家 威廉·克鲁克斯 （William Crookes）用光谱法发现了铊。1862年时埃格斯特朗在 太阳 的大气层中发现了氢和其他元素，并找到了 氢原子光谱 。他总结了基本的光谱分析原理，为太阳光谱的辐射波长绘制了标准太阳谱图表，记录了太阳光谱中上千条 谱线 的波长。埃格斯特朗的研究奠定了日后气体光谱的检测，意义十分重大。他对光谱学的发展起到了积极的推动作用，是光谱学研究链条上重要的一环，承上启下，非常关键。 布儒斯特 （David Brewster）、 约瑟夫·冯·夫琅和费 、埃格斯特朗被认为是光谱学的奠基者。此外， 马赫 （Ernst Mach）（研究炽热气体的光谱）、阿贝（Ernst Karl Abbe）（使 物镜 色差校正扩展到整个光谱区）和 詹姆斯·杜瓦 （James Dewar）都在光谱学研究中做出了贡献。杜瓦 吕振羽 人合作，通过光谱来分析物质的组成并研究 太阳 的组成。杜瓦可谓是光谱分析法的先驱之一。

1863年 德国 著名的化学家威廉·赖希（Wilhelm Reich）和其助手 里希特 （J.B.Jeremias Benjamin Richter）也是用光谱法发现了新元素 ，他们研究 闪锌矿 的铊光谱时，发现一条 蓝色光谱。以后又用光谱法发现了镓、 、锗等。光谱分析法的确立，开创了光谱分析的新时代，为元素定性鉴定和新元素发现开辟了一条新路。此后，光谱分析法被广泛采用，很快成为物理， 化学 和天文学界开展科学研究的重要手段，人类应用光谱技术共发现了18种元素。光谱分析法被称为“化学家的眼睛”。

近现代时期

1889年， 瑞典 光谱学家 里德伯 （Johannes Rober Rydberg）发现了许多元素的线状光谱系，其中最为明显的为 碱金属 原子的光谱系，它们也都能满足一个简单的公式。尽管 氢原子光谱 线的波长的表示式十分简单，不过当时对其成因却茫然不知。1896年， 荷兰 物理学家 彼得·塞曼 （Pieter Zeeman）把光源放在 磁场 中来观察磁场对光三重线，发现这些 谱线 都是 偏振 的。现在把这种现象称为 塞曼效应 。在复杂光谱的分类中，塞曼效应是一种很有用的方法，它有效地帮助了人们对于复杂光谱的理解。1913年，阿格·玻尔（Aage Niels Bohr）才对氢原子光谱作出了明确的解释。但玻尔理论并不能解释所观测到的 原子光谱 的各种特征，对 氢原子光谱 的进一步的解释也遇到了困难。能够圆满地解释光谱线成因的是20世纪发展起来的 量子力学 。 电子 不仅具有轨道 角动量 而且还具有 自旋 角动量。这两种角动量的结合成功地解释了光谱线的分裂现象。

第二次世界大战后，一大批阐述 光谱分析 应用和光谱仪器的专著问世。20世纪50—60年代 原子 吸收和原子 荧光 光谱分析技术有重大进展。 到20世纪60年代，高强度、高单色性 激光 的出现给光谱学这门学科注入了新的活力，激光光源的优越性被发挥的淋漓尽致。比如激光的单色性使分光器件 分辨率 提高，高强度提高了探测的灵敏度，而且强光与物质粒子的相互作用中，产生了各种可观测的非线性光谱效应。 光谱分析 法具有分析速度快，操作简便、不需要纯样品、可同时测定多种元素和化合物以及选择性好、灵敏度高、样品损坏小的特点。现代 光谱分析 技术已经成为生命科学、 环境科学 与 材料科学 不可缺少的部分。

20世纪80年代后期，随着 计算机 技术和化学计量研究的深入，发展了现代近红外技术。 太 赫兹 时域 光谱（terahertztimedomainspectroscopy，THz-TDS）技术是这时由AT&T、Bell实验室和IBM公司的T.J. Watson 研究中心发展起来的太赫兹光谱技术。包括大部分分子的转动 能级 和一部分振动能级，很多分子在这一 波段 都具有特征 指纹 ，因而太赫兹光谱技术可以被用来研究材料的远红外性质和频率的关系，这些关系可以更深入地了解与材料应用相关的重要的材料性质。目前已经有很多方法可以得到材料的太赫兹光谱。THz-TDS技术基于利用飞秒 激光 技术获得的宽波段太赫兹脉冲，具有高灵敏度、时间分辨 相位 信息、高 信噪比 等优点，越来越多地被应用于各种材料特性的研究当中。

20世纪90年代 飞秒激光 的进步使非线性拉曼光谱学突破到了新领域，产生了一些新理念和新方法，使得对更复杂的系统和问题能够进行攻关，并带来了具有根本上的重要性的测量。非线性拉曼光谱学的新阶段还推动了新光谱学概念的发展，包括时间分辨方案、宽带光谱学、 偏振测量 ，以及基于更高阶非线性过程的CARS推广。

学科分支

广义说来，光谱学的频率范围从10 3 赫（核 自旋 共振 ）起一直可延伸至10 24 赫（高能物理），范圈极为广阔，并在各个额率区域形成了特定的光谱学分支， 可分成发射光谱学、吸收光谱学、散射光谱学（特别是拉曼光谱学）、 激光光谱学 等。

发射光谱学

在发射光谱学中，通过对 原子 或分子进行激发，记录下它们发射的特征波长组成的光谱。这些光谱以亮线形式出现在暗衬底上，通过这一现象可以进行 光谱分析 。分析过程包括将物质转化为气体状态、激发发光、利用 光谱仪 将辐射分散成光谱，并记录这些光谱。进而根据光谱特征对物质进行定性和 定量分析 。

定性分析通过识别发出的光谱线来确认元素的存在；而定量分析则依据 谱线 的强度来评估样品中元素的浓度。经典的激励源如火焰、 电弧 和电火花在分析中发挥重要作用。 特别地，在分子的 发射光谱 研究中，二 原子 分子的光谱是主要关注对象。

发射光谱可划分为线状、带状和连续三种类型。线状光谱主要来源于原子，带状光谱则主要由分子产生，而 连续光谱 通常由白炽状态下的固体或气体放电产生。每种原子和分子独有的 能级 结构和光谱系列，不仅提供了关于它们的能级结构的知识，还有助于确定重要的物理常数，并且是 化学元素 分析的重要手段。

分子的发射光谱相对复杂，因为分子中 电子 不仅围绕 原子核 运动，还伴随着原子核的振动和转动。这些复杂的运动在分子光谱中得到体现，使得分子光谱成为研究分子能级结构的关键工具。

吸收光谱学

在吸收光谱学中，研究集中在分子对特定波长光的吸收现象。当连续波长的光通过某种物质时，物质会吸收其中某些特定波长的光。 光谱仪 将透过或反射的光展开，形成物质的 吸收光谱 。几乎所有物质都有其独特的吸收光谱，分子或原子团在特定波段的特征吸收表现为带状吸收谱。

红外吸收光谱学特别重要，涉及分子内部振动和转动能级间的跃迁。这种光谱分析方法主要用于研究分子的 能级 结构和分子结构，也用于分子的定性和定量分析。吸收光谱方法对于有机物质特别有效，尤其适用于那些难以激发的原子或分子。

通过分析吸收光谱，可以识别分子和原子团，并定量分析它们的含量。吸收光谱学与 发射光谱 学相辅相成，共同为揭示物质微观结构提供了重要信息。

散射光谱学

即以拉曼散射为对象的光谱学。当光在物质中传播时，由于介质中微粒的存在或介质不均匀性，部分光线会偏离原方向，发生散射。在散射过程中，除了入射光的频率外，还可能出现新频率的光，这种现象称为拉曼散射，其光谱即为 拉曼光谱 。

拉曼散射是一种特殊效应，类似于X射线散射中的康普顿效应，其中光的频率会发生变化，这种变化称为拉曼频移，它取决于散射物质的特性。 拉曼光谱的产生与多种因素有关，包括分子的振动、旋转、电子转移、 磁场 中的自由电子转移、 自旋 波、等离子波、声波等。

拉曼光谱分析能够对化合物进行定性和定量分析，测定分子的振动和转动频率及相关 常数 ，揭示分子内部或分子间的作用力，推断分子结构的对称性和几何形状。拉曼光谱在物理学、 化学 、生物学等多个领域都有应用。由于其将红外区的分子能谱转移到 可见光 区进行观测， 拉曼光谱 成为红外光谱的重要补充，是研究分子结构的重要工具。

拉曼频移产生的 谱线 对称分布在入射光两侧，低频侧的称为斯托克斯线，高频侧的为反斯托克斯线，两者与入射光的频率间隔 相等 ，但斯托克斯线的强度通常远大于反斯托克斯线，因此在实验中主要测量斯托克斯线。

在散射光谱学中，拉曼频率、强度、偏振等信息反映了散射物质的性质，这些数据有助于了解物质的结构和组成成分。拉曼效应源于分子振动（和点阵振动）与转动，因此拉曼光谱能够提供分子振动 能级 、点阵振动能级和转动能级结构的知识。

激光光谱学

激光 光谱学作为光谱学的一个分支，其核心在于使用激光作为光源。激光技术的应用，特别是20世纪70年代初可调谐 染料 激光器 的发明，为光谱学领域开辟了众多新方向。激光的高强度、高单色性和可调谐性，特别是其飞秒甚至更短脉冲宽度的特性，推动了激光光谱学的多样化发展。

激光光谱学衍生出多个分支，包括但不限于 光声光谱 、光热光道、光电流光谱、激光透导 荧光 谱、双 共振 光谱、激光拉曼谱、非线性激光光谱学（涉及饱和光谱、 偏振 光谱、多 光子 光谱等）、时间分辨光谱学、相干光谱学（包括 能级 交叉光谱、量子拍光谱、关联光谱等）、冷 原子光谱 、单离子光谱、超高 分辨率 光谱学、超灵敏光谱学等。这些技术使得科学家能够深入研究物质的结构、能谱、瞬态变化和 微观 动力学 过程，包括弛豫规律，揭示了光与物质相互作用中的光物理、 光 化学 和光生物学过程的细节。

此外， 激光光谱学 还包括基于研究物质分类的分支，如 原子 光谱学、分子光谱学、凝聚态光谱学、 晶体 光谱学等，以及以研究方法命名的分支，例如 傅里叶变换 光谱学（FTS）、腔衰荡光谱学（CRDS）、频率梳光谱学等。这些技术在化学、生物学、医学、 环境科学 、 材料科学 等多个领域中都有广泛的应用，成为探索物质世界奥秘的重要工具。

研究内容

光谱学是一门深入分析物质与 电磁波 相互作用的学科，其核心目标是揭示物质的 微观 结构和宏观特性。通过 光谱分析 ，科学家可以详细勾画原子和分子的 能级 结构，包括它们的排布和寿命，同时获取 电子 组态、分子的几何形状以及 化学键 本质的关键信息。研究不仅限于物质的静态结构，也包括动态过程，例如 化学反应速率 ，以及天文学中遥远 天体 中元素的分布情况。

光谱学的研究内容进一步扩展到理解物质与电磁波相互作用产生的光谱特征。光谱，作为按波长有序排列的 电磁辐射 集合，其特征强度显示了物质在不同波长的吸收或发射特性，允许进行物质的定性和 定量分析 。

光谱学研究了多种光与物质相互作用的方式：在吸收过程中，物质对特定波长光的吸收形成了具有诊断价值的 吸收光谱 ；散射现象中， 拉曼散射 引入了新的频率，为研究分子的振动和转动提供了重要手段； 牛顿 的色散实验阐明了白光由不同颜色光组成，解释了物质颜色的成因； 光电效应 揭示了 光子 的微粒性质，推动了 量子力学 的发展； 晶体 压电效应 展示了 电场 与晶体形变之间的联系，加深了对晶体 物理性质 的理解。这些研究成果构成了光谱学的基础，并为探索物质的组成、结构和 动力学 特性提供了理论和实验方法。

光与物质的相互作用方式

光谱学通过研究物质与光相互作用的方式，揭示了物质的 微观 结构和宏观特性，包括：

吸收： 物质对通过它的连续波长光束中的特定波长成分吸收，导致这些成分减弱。这种吸收行为通过 光谱仪 转换成 吸收光谱 ，反映了物质内部 能级 的跃迁，与发射光谱互为补充，为 原子 和分子的能级结构提供了关键信息；

散射： 光在介质中传播时，由于存在微粒或介质不均匀性，部分光线偏离原方向散射。 拉曼散射 是其中一种散射过程，它产生了新的频率，即 拉曼光谱 ，为分子振动和转动等性质的研究提供了重要手段；

色散： 色散现象表明不同颜色的光在介质中的传播速度存在差异，这一发现对理解光与物质相互作用的基本规律具有重要意义。例如 牛顿 在1666年通过 三棱镜 的研究试验，将白光分解为不同颜色的光谱带，揭示了物质颜色的成因。

电磁辐射与物质内部结构（能级等）的关系

1887年，赫兹在进行 电磁波 的实验时发现了一个现象：当 紫外线 照射到 圆环 接收器间隙的 电极 上时，火花放电变得容易了。后来其他科学家又发现，用紫外线照射与 验电器 相连的带负电的 锌板 时，验电器的金箔立即闭合；用紫外线照射与验电器相连的 不带电 的锌板时，验电器带正电。通过这些现象人们认识到，用紫外线照射金属时， 电子 会从金属表面飞出来。这种在光的照射下物体中发射电子的现象，叫做 光电效应 。光电效应中发射出来的电子叫做光电子。实验表明，不仅紫外线能产生光电效应，用 可见光 照射碱金属（如锂、钠、钾、铯等），也能产生光电效应。为了解释光电效应的现象，科学家引人了“ 光子 ”这个概念。 阿尔伯特·爱因斯坦 也因为利用光子成功地解释了 光电效应 而获得了1921年的 诺贝尔物理学奖 。光量子既是一种微粒，又是一种 电磁波 。光子说就把几百年来争论不休的两种观点，即光的微粒说和波动说统一了起来。至此，人类对光的认识完成了第二次飞跃。

水晶压电效应

晶体压电效应是物质在机械压力作用下产生 电极化 的现象，其研究历程最早在1880年被居里兄弟首次观察到这一现象，即石英晶体在受压后产生电量变化。基于能量守恒和电量 守恒定律 ，压电效应的逆过程为：在 电场 作用下， 石英 会发生形变。严济慈通过精确的实验方法，采用单色光干涉法，成功测量了石英在不同方向和不同电压下因电场作用而产生的微小形变，从而验证了压电效应的逆过程，并揭示了其普遍规律。

中国物理学家严济慈通过研究发现电场作用下 水晶 的 双折射 现象，即在垂直于电轴方向施加电压时，该方向的双折射增强，而在垂直于 光轴 和电轴的第三轴方向，双折射减弱；负电压作用下效果则相反。

研究方法

光谱实验

基于 电磁辐射 与物质相互作用产生的特征光谱波长与强度进行物质分析的方法。它涉及物质的能量状态、状态跃迁以及跃迁强度等方面。通过对物质的组成、结构及内部运动规律的研究，可以解释光谱学的规律；通过对光谱学规律的研究，可以揭示物质的组成、结构及内部运动的规律。

当待测物质与 辐射能 发生作用时，物质内部因为量子化 能级 之间的跃迁会产生发射，吸收和散射等辐射能的变化，光谱学技术即是通过测量这些 辐射能 的变化从而进行分析的方法，是光分析 的一个重要部分。常用的光谱学技术有紫外— 可见光 谱法、 荧光 光度法、红外光谱法，核磁共振光谱法、 原子 吸收光谱 法，原子 荧光 光谱法， 化学发光 光谱法和 生物发光 光谱法等。光谱实验中，所有能够研究光的吸收、发射和散射的仪器被称为 光谱分析 仪器，一般是由光源、单色器、吸收池、光电检测器和指示仪表等五大部分组成。

理论计算

在光谱学中，将 电磁波 按其频率（或波长）的高低为序排列，称为 电磁波谱 。光波是整个电磁波谱中的一个特殊 波段 ，其长波段与微波段相接， 短波 段与X射线部分重叠。电磁波与物质相互作用时产生的吸收谱或发射谱，可以用多种方式给出关于 分子结构 和分子与周围环境相互测量 谱线 的波长，可以确定 原子 或分子系统的 能级 。谱线强度正比于跃迁几率，它量度了分子跃迁的两个能级之间的 耦合 强度。因为跃迁几率依赖于两个能级上的 波函数 ，强度测量可以证实被激发电子的空间电荷分布，而这只能从 薛定谔方程 的近似解中粗略地计算出来。利用特殊的技术，可以分辨出谱线的自然线宽，从而确定分子 激发态 的平均寿命。测量多普勒宽度可以给出发射或吸收 光子 的分子的 速度分布 ，从而得到样品的温度。从谱线的 压强 展宽和压强移动中，可以得到关于碰撞过程和 原子 间势场的信息。

学科应用

天体观测

光谱分析

天体 物理由于应用 光谱分析 方法而进入了新阶段。 约瑟夫·冯·夫琅和费 被誉为天体光谱学创始人，而 英国 天文学家 威廉·哈金斯 （William Huggins）也是天体光谱学的先驱者，他首先把光谱分析应用于 恒星 研究，并将照相术用于光谱研究。哈金斯用光谱学方法区分了 星系 和气体星云，他还用运动 恒星光谱 线中的多普勒频移来推断恒星运动的速度。基尔霍夫（Gustav Kirchhoff）用光谱学的方法研究了 太阳 光获得了大量光谱线，证实太阳是由已知的 化学元素 组成的。之后不久，对太阳光谱的研究让人们发现了氦元素。

印度 物理学家 梅格纳德·萨哈 （Meghnad Saha）在1920年导出热电离 方程 ， 这一方程被广泛用于 恒星光谱 数据的解译，解释恒星的光谱分类。萨哈认为， 恒星 光谱形态与恒星温度有关。恒星温度越高，恒星中物质 原子 内的 电子 能级 就越高它们会跃迁到更外侧的电子轨道上。而只要热量足够，最 散逸层 的电子就会逃离原子束缚而成为自由电子，留下一个带正电荷的离子，并在光谱中留下痕迹。

光谱学研究显示，恒星含有地球上都有的各种元素，包括、硅、铝和铁等。 英国 天文学家 塞西莉亚·佩恩-加波施金 ，将当时最新的 原子结构 与量子物理理论应用于对 哈佛大学 光谱资料的分析，最终于1925年揭示了氢构成了 太阳 的主要成分，氢和氦这两种原子量最小的元素的含量要远远超越其他元素。

星系光谱

20世纪初， 美国 天文学 家 维斯托·斯里弗 （Vesto Melvin Slipher）对旋涡星云光谱作过十多年的研究，对41个 河外星系 的光谱进行了分析，发现36个星系的 谱线 红移 现象。

1933年， 瑞士 天文学 家 弗里茨·兹威基 （Fritz Zwicky） 利用光谱 红移 测量了 后发星系团 中各个星系相对于星系团的运动速度。他运用维里定理在计算后发座星系团的 引力 质量时，提出 宇宙 中存在大量“看不见的物质”，也就是现在所说的 暗物质 。40多年后， 美国 天文学家鲁宾（Vera Rubin）通过研究发现了暗物质存在的证据，她利用高精度的光谱测量技术探测到远离 星系 核区域的外围星体绕星系旋转速度和距离的关系，最终得到了星系中可能有大量的不可见物质的结论。

X射线天文学

美国物理学家 苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡 （Subrahmanyan Chandrasekhar） 用 量子力学 方法计算了作为中介光谱型 恒星 大气不透明度源泉的 氢负离子 吸收系数。而钱德拉望远镜被认为是X射线天文学上具有里程碑意义的 太空望远镜 ，它标志着X射线天文学从测光时代进入了光谱时代。

天体信息推断

天文学家利用光谱学可以揭示天体的丰富信息，包括天体与 地球 的距离、化学组成、年龄、形成历史和温度等。 星系 光谱中的氢—阿尔法 谱线 强度，特别指示了星系中年轻恒星的数量。通过比较观测到的星系光谱与 地球 上实验室测量的波长特征，天文学家可以确定光在到达地球过程中被拉长的程度，从而准确测量星系的距离。

探测系外行星

多普勒效应 使 天文学 家能够探测围绕 恒星 的 行星 。当恒星因周围行星的 引力 扰动而发生视线方向的速度变化时，会产生光谱的 红移 或 蓝移 。 瑞士 科学家米歇尔·马约尔和 迪迪埃·奎洛兹 正是利用这一效应和高精度 光谱仪 ，通过观察恒星飞马座51的光谱变化，发现了首颗围绕 主序星 的系外行星 飞马座51b 。这一发现为视向速度法探测系外行星提供了有力证据，开启了天文学家探索宇宙中更多未知世界的新篇章。

材料研究

识别原子种类

X射线分析技术是一种借助X射线来识别 原子 种类的高技术。 X光机 发射X射线激发样品中元素，使之发射特征X射线，测定这些特征X射线的能量和强度，可以确定是什么元素，含量多少。而轻便的 放射性同位素 源激发的X射线 荧光 仪是一个便携的、只2~3 千克 重的，主要用于现场无损直接激发和测量岩石、矿物中元素的特征X射线，用以确定元素及其含量。

原子结构分析

红外光谱可以研究分子的结构和 化学键 以及测定分子的键长和键角，利用这个可以测定如力 常数 、 分子对称性 等，并由此推测分子的立体模型。分子中的某些 化学 键或技能团虽然在不同化合物中，但是他们所对应的谱带 波数 基本上是固定的或只在小 波段 范围内变化，例如 甲基 、 CH2 、 羰基 、 氰基 、 羟基 、 氨基 等在红外光谱中都有特征吸收。因此通过红外光谱测定，可以判定未知样品中含有哪些有机 官能团 ，最终可以确定未知物的 化学 结构。

随着当代红外光谱技术的发展，红外光谱的应用不仅能对样品进行简单的常规测试，还能推断化合物组成。 红外光谱仪 与其他多种测试手段联合使用衍生出许多新的分子光谱领域，例如，红外 光谱仪 与色谱技术联合可以认识复杂的 混合物 体系中各种组分的 化学 结构；红外 光谱仪 与 显微镜 方法相结合，形成红外成像技术，用于研究非均相体系的形态结构。

医学治疗

由于血液与组织间的密切联系， 癌细胞 或其它病变的特异性必然反映在血液中 内环境 的改变，或与癌细胞代谢有关的产物 肿瘤标志物 的渗入。由于这些肿瘤标志物的含量极微，一般的检测技术很难将其测出。应用光致电致发光技术使其特定 分子结构 发光而产生 荧光 ，则很容易显示出血液中肿瘤标志物或其它病变标志物特征峰的存在。因为正常组织光谱峰值位置与病变组织光谱峰值位置可能不同，也可根据其 荧光 强度的强弱推测其含量的多少或者根据 吸收光谱 的方法可以测定某些元素含量，为医学诊断提供依据。

拉曼光谱 是全世界广泛应用的一项分析技术。近十几年，技术的进步使得制造小断面柔顺的血管内拉曼导管成为可能。拉曼光谱导管系统已被建立并应用于人 冠状动脉 中，获得了整个管腔的 化学 浓度等值图。血管壁里的脂质及其亚型，如胆固醇和 胆固醇酯 ，可被鉴定出来，浓度测量平均误差<3%。拉曼导管系统测量的血管壁 化学 浓度等值图与 组织学 结果基本一致，尤其适用于检测薄帽的纤维粥样硬化病变。

药物开发

偏导数 光谱通常比正常的零阶导数光谱包含更多的表观光谱细节。 导数 分光光度法 是一种非常有用的分析方法，用于分离具有 重叠 光谱的药物 混合物 。此外，还成功地应用于有降解产物存在的药物的测定，以及有药物添加剂和分解产物存在的单个药物的测定。应用于 药物分析 的 荧光 技术提高了分析过程的灵敏度、选择性、准确性和快速性。例如， 荧光 法已被应用于直接测定 恩诺沙星 和 氟哌啶醇 。近红外光谱也可用于定量复杂基质中特定化合物的测定，例如 药物制剂专业 。 核磁共振波谱法 可用于原料药的鉴别、合成和降解过程中产生的物质的鉴别和定量，以及测定分析过程中残留 溶剂 。 核磁共振波谱技术 广泛应用于药物分析中，用于药物及其伴随杂质的鉴别。

生物研究

性别鉴定

高光谱成像可用于卵内性别测定。基于褐蛋品系中羽毛颜色的性别二型性，该技术在孵化第13天通过完整的 蛋壳 以高精度非损伤性检测褐雌鸡和黄白色 公鸡 之间的差异。该技术通过同时测量样本每个像素的 辐射强度 来捕获三维图像：二维代表 空间信息 ，一维代表整个光谱的光谱信息。根据棕色产卵 遗传学 中使用的性别连锁金/银因子， 雄性 有银/白色羽毛， 雌性 有金/棕色羽毛，一旦第一根羽毛发出声音，就可以使用高光谱成像进行 胚胎 颜色性别鉴定。

呼吸气体分析

气相 色谱-质谱联用技术（GC-MS）是长期以来呼吸气体分析领域最常用的手段，可对 肺癌 、 哮喘 等疾病患者的呼吸标志物实现体积分数为10 -9 乃至10 -12 量级的高精度测量。随着 激光 技术的发展， 激光 光谱技术以其高灵敏度、高选择性、实时在线分析的特点，为呼吸气体分析领域的研究提供了一种实现实时在线分析的可行性技术手段。激光穿过气体 混合物 时具有选择的 吸收光谱 ，即不同的气体分子有着自己的特征吸收“ 指纹 ”，位于 谱线 中界限分明的位置，这使激光光谱法成为无创呼吸分析领域中非常有用的一种方法。

2011年， 大连理工大学 于清旭 研究组采用 光声光谱 技术，针对肾病的呼吸标记物—氨气实现了高浓度CO 2 和H 2 O背景下的高灵敏检测。2014年， 东芝 公司推出了与 早稻田大学 联合研发的呼吸 气体分析仪器 。该仪器采用中红外光源及腔增强光谱技术检测呼吸气体中的 丙酮 ，用于内分泌疾病诊断和人体代谢的研究。

文物保护

科学的检测分析是现代文物保护修复工作的必要基础和依据，无损检测技术是文物检测分析的首选方法。近红外光谱结合 化学计量学 新型分析技术具有测试方便、安全无损、信息丰富、定量准确、分析对象广泛等独特优势。目前该技术在文物保护领域还处于起步阶段， 故宫博物院 以及一些国外研究机构的文物保护学者率先将其用于书画、丝织品、玉器等的研究工作，取得了可喜的成果，一定程度上解决了一些文物 无损检测 方面的疑难问题，在天然材料鉴定、老化程度评估等定量信息的检测与分析方面展现了广阔的应用前景。

食品安全检测

光谱技术在食品安全与质量控制中的研究，建立了拉曼、近红外、质谱和核磁等数据库，结合 化学计量学 方法实现了对 鸡蛋 、猪肉、 坚果 、牛肉等食品新鲜度的无损、快速检测技术，并明确了坚果油脂氧化过程和反复冻融牛肉各类 物理化学 性能的变化过程；通过开发金纳米 溶胶 、核壳纳米、整体柱、纳米线阵列等系列 表面增强 拉曼光谱 （SERS）材料，大幅度提高普通拉曼光谱的灵敏度，应用于食品中农兽残、抗生素、色素、非法添加物、重金属、食源性致病菌以及其它污染物的检测，其检测时间和检测限均低于传统检测方法。

针对拉曼光谱易受复杂基质的干扰，基于拉曼静默区（1800-2800cm -1 ）建立了 氰基 类农药的SERS检测方法，实现了对复杂食品中痕量有害物质的快速检测。此外，利用碳量子点（ cds ） 荧光 光谱法快速测定了食品中 氯霉素 和海南霉素残留量。

生态监测

通过高光谱 遥感 ，能够同时获取观测目标的图像和光谱，实现目标空间特征与光谱特征的同步探测。其 光谱分辨率 高达纳米数量级，能够更为精确地区分不同地物之间的细微差别。随着高光谱遥感技术在 环境监测 和评价中的研究不断深入，高光谱遥感已经成为实现环境评价的重要手段之一。人们通过研究 植被 覆盖率、植被生长状况、 土壤有机质 分析、土壤酸碱度检测、水体分布、河流与湖泊的水质监测以及环境 生物量 分析和生物分布等方面，实现了对沙漠、矿山、 盐碱地 、植被与农田等 生态环境 的监测。这些研究进展为高光谱遥感技术未来在环境的定量评价与自动监测方面的研究提供依据。

工业过程控制

在工厂逐步提高自动化、智能化水平的背景下，工业生产过程中的传统离线分析方法正逐步被在线分析仪表所取代。在线分析仪表可以实时监测工业生产过程中影响产品质量的关键参数和属性指标，其分析结果可以指导生产装置的调节和优化，保证生产装置的安全稳定运行，提高生产效率，降低能耗和成本。近年来，在线拉曼分析仪表因其快速、无损、 非接触式测量 的特点得到了快速发展和广泛应用。

关联学科

天文学

用 三棱镜 可以将 太阳 光色散成七色光，这个七色光也是太阳的光谱。天文学家是用特殊的方法将星光色散成“七色光”，星光的“七色光”就是 天体 的光谱。其实所谓颜色是不同波长的光， 天文观测 上的 光谱分辨率 往往是远高于七个颜色的，因此天文光谱就是一个 天体 在不同波长处的能量。

光谱中蕴含着一个天体的许多信息，有助于天文学家研究天体形成以及 宇宙起源 ，因此，天文 光谱分析 有着巨大的意义和价值。

物理学

光谱学是一门主要研究物理学及 化学 的重要交叉学科 ，光谱学的研究对现代物理具有促进作用。对物质的吸收谱和发射谱的研究可以说是 原子 物理的基础，对 原子光谱 的分立 谱线 特征的解释导致了旧 量子力学 的产生。 光谱分析 还是研究 宇宙 中 化学 物质的重要手段，而引力红移现象的测定则从实验上从一个侧面证实了 阿尔伯特·爱因斯坦 的 广义相对论 。

分析化学

分析物质的组成是近现代科学技术的重要研究内容，其代表学科就是 分析化学 。分析化学方法分为两大类：经典分析法和 仪器分析 法。在仪器分析法中，依据物质发射、吸收 电磁辐射 以及物质与电磁辐射的相互作用而建立的分析方法，称为 光学分析法 。根据是否产生 能级 跃迁，光学分析法又可分称光谱分析法和非 光谱分析 法。 光谱分析 方法是基于物质与辐射作用时，测量由物质内部发生的能级跃迁而产生的发射、吸收或散射辐射的波长和强度，以此来鉴别物质及确定它的 化学 组成和相对含量的方法。

随着光谱学的不断发展，各种新的光谱被发现，不同的光谱分析方法也相继建立，并出现相应的 光谱分析仪器 。光谱分析从原理上得到长期研究，理论上已经趋近于完善，光谱分析已成为现代 分析化学 手段最多、应用最广泛、功能最强大的分析方法之一。

前沿方向

在应用上，光谱学具有广泛的前景，对医学、环保、化工和能源研究等都有显著的影响。特别是电子和 激光光谱学 技术大大挖掘了光谱学的分析潜力。 尽管光谱分析方法本身的局限性是对某些元素的测定还有困难、 基体 效应难以避免、需要大量数据进行建模、价格昂贵等，这需要通过光谱学和 光谱分析 技术的发展来克服；另一方面，光谱分析技术需要与更多的联用技术结合来扩大应用范围，这也是未来光谱学领域发展的一个方向。 例如便携式 光谱仪 、高光谱 遥感 技术和超快光谱学的发展，不仅提升了现场材料分析、物质成分识别和瞬态现象探测的能力，还拓展了光谱学在工业、 环境监测 、医学和 基础科学 研究等多个领域的应用。

便携式光谱仪

随着生产的发展，对金属来料、设备材质、金属废料的现场检测分析的需求日益深入，为了保证所采购和使用材料的正确性，现场 金属材料 分析变得越来越重要，应用的场合越来越多，人们对便携式光谱仪的需求也逐渐增加。便携式 光谱仪 是在实验室用光谱仪的基础上研制而成的小型化光谱仪，既可在实验室用又可满足现场分析需要，而且在现场条件下仍保持很高的 测量精度 。 便携式光谱仪 的应用领域已经涉及钢铁、机械、航空航天、船舶、汽车、电力、石化、锅炉和 压力容器 等领域。

高光谱遥感技术

光谱分析 是人类借助光认知世界的重要方式。 如果说 肉眼光学成像能看到物质的形状、尺寸等信息，光谱分析则能获取物质的成分信息。高光谱 遥感 实际上是一种简称，它的全称叫 “高 光谱分辨率 遥感 ”。它不像多光谱遥感中根据颜色的差异来分辨目标，而是根据谱段光谱曲线的形态来分析目标是什么。

高光谱遥感能在可见光到 短波 红外范围内 连续光谱 成像，不仅光谱探测范围超过了肉眼的感知，还能连续记录数百个光谱 波段 。因此，用肉眼甚至普通的光学遥感不能识别的地面物体，这项技术都能够更好地分辨出其内在的物理、 化学 特性，甚至是物质的分子和 原子结构 。主要用于军事、农业 生产管理 、地质学等领域，在医学、生物、刑侦、考古、文物保护等领域也有广泛的探索性应用。

超快光谱学

超快光谱分析技术是理解物质组成、分子演化和 动力学 的重要工具，涉及领域包括物理、化学和 生物医学 等 基础科学 ，以及气体示踪和泄漏预警等 应用科学 。随着 飞秒激光 的出现，光谱学的探测速度不断被刷新。飞秒 时域 拉伸技术将记录的瞬时现象展开到时域，降低了超快探测中的采样速度要求，在超快成像、测距、单发脉冲光谱探测、非重复和罕见信号探测等领域发挥了重要作用。

超快光谱方法因其特有的极高时间 分辨率 、Fermi面以上 电子 激发态 探测、全波长宽谱能量范围的相互作用、相干态和集体激发态的产生和探测、表面界面对称破缺的探测等优势在凝聚态物理特别是关联 量子材料 的研究中有重要的应用，主要用于研究常压下的凝聚态物性，人们利用该方法已在 高温超导 机理、复杂 相变 、多自由度 耦合 、激光相干调控、诱导新奇 量子态 等方面取得了很多重要研究成果。