简介： 光谱学是研究能量和物质之间相互作用作为波长的函数。不同的化学元素有其不同的发射线特征，故而可以通过分析光谱线来推断未知物体的化学成分。光子的能量与其波长相关，因此可用光谱学来鉴别任何化学元素或化合物。
光谱学是研究能量和物质之间相互作用作为波长的函数。不同的化学元素有其不同的发射线特征，故而可以通过分析光谱线来推断未知物体的化学成分。光子的能量与其波长相关，因此可用光谱学来鉴别任何化学元素或化合物。
在我们认识光谱学是什么之前我们先来看一看什么是光。光属于电磁波（EM）的一种。
电磁图谱
这篇文章我们只需要集中于可见光。
光透过三棱镜的动画演示
早在公元40世纪，塞纳卡便发现了光透过棱镜的色散现象。不过知道1666年牛顿提出后光由不同颜色组成的概念才变得广为流传。1802年，英国化学家威廉·海德·沃拉斯顿从一个玻璃棱镜观察到了光谱中的暗线(吸收线)。后来，在1814年，德国物理学家约瑟夫·冯·夫琅和费独立地重新发现了这些谱线，并开始系统的研究这些波长的特征。他总共绘制了570多条线，从A排到K，更弱一些的线用其他字母表示。
可见光谱中的氢吸收线
如果你观察透过三棱镜观察太阳光谱，你也许能观察到上图。这些被称为夫琅和费线或者吸收线。
1859年，古斯塔夫·罗伯特·基尔霍夫和罗伯特·本生通过观察元素燃烧时所形成的光谱指出，每种化学元素的放射线都有独特的“特征”，并推断太阳光谱中的暗线是由太阳上层元素的吸收造成的。还有一些事被地球大气中的氧分子吸收。比如用分光仪观察被燃烧的氢气，我们能观察到一组不同的放射线。
氢的放射线
比较一下这两个图，我们不难看出这两种线是相匹配的。在做实验的时候，基尔霍夫和本生观察太阳通过高温气体(来自本生灯)时的光谱并比较不同元素时发出的光谱。本生灯正是在这个过程中发明的。
基尔霍夫-本生实验
总的来说，在太阳光谱中有超过1000条可观测到的夫琅和费谱线，因为每种元素都有自己的特征，我们可以通过分析谱线来推断太阳或任何未知物体的化学成分。
那么是什么造成了这种现象呢？
电子能级
原子由质子、中子和电子组成。质子带正电荷，电子带负电荷，中子不带电荷(电中性)。丹麦物理学家尼尔斯·玻尔设计了一个有助于解释吸收线和发射线的原子模型。在他的模型中，质子和中子在原子核中，电子围绕原子核运行。值得注意的一点是，在这个模型中,电子只允许在距离原子核的特定距离轨道上运行,就像行星只能在一定的距离轨道上环绕太阳一样。离原子核越远，需要的能量就越多。每一个“距离”都被称为一个能级。电子可以在不同能级之间移动，但它需要互换能量。当我们讨论光子的能量时，我们也可以讨论波长，因为这两者是相关的。所需要的能量是由两个能级之间的能量差决定的，并且不同能级，不同元素的不同能级都是不一样的。将元素结合成分子也会改变能量需求。
光子的能量公式：
公式中的h是普朗克常数（ 6.624 10^（-34） J·s，频率f是波长 λ的函数。
频率公式：
C是光速 (3x108 ms-1)， λ为波长，单位是赫兹。
一个电子要移动到一个更高的能级，它必须获得能量。一种方法是吸收具有适当能量的光子。当电子吸收光子时，相应的波长似乎从光谱中消失了，因为它已经被吸收了。反之，当电子移动到较低的能级时，它释放出相同数量的能量，这就产生了一条发射线。能级一般记为n，第一级能级为n = 2(对于原子核，n = 1)。从n = 2到n = 3需要吸收能量，而从n = 3到n = 2则释放能量。回到我们的氢原子，当它从太阳中的一个光子获得能量，一个电子从n = 2跃迁到n = 3，一条吸收线就形成了。当我们在燃烧器中加热氢时，我们实际上用能量激活了电子，然后它再次释放能量。当电子回到n = 2时。电子可以从n = 2跳到n = 3，或者跳到n = 4, 5，等等。下表概括了氢气所需的能量。这也被称为巴尔默系列。
每一种不同的元素都有它自己独特的能级，当一个元素原子结合到一个分子中时，能级又会发生变化。正因为如此，我们可以用光谱学来识别几乎任何元素或化合物。
BY: Tim Trott
FY: margaret
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光学专业毕业论文提纲模板
光学专业毕业论文提纲怎么写?下面我以《在胡克参考球观念下诞生的新理论》论文提纲为例，为大家介绍论文提纲的写作技巧。
论文题目： 在胡克参考球观念下诞生的新理论
在光学的发展历史上，曾经有几位学者做出过杰出贡献。其中，依萨克-牛顿(I. Newton1642--1727)[1] 认为，光是发光体发射的一种微粒，人们通常说的粒子性。 到公元二十世纪初，爱因斯坦等人[2] 认为，光是一份一份的，每一份被称为光量子。综合牛顿与爱因斯坦的研究思想，作者经过详细思考后认为，一份光量子为一个独立的能量体，它是由更细微的能量颗粒按照某种方式集合而成的一个能量体，是一个具有空间形态的几何体。作者为了不再引进更多的新名称而称它为基本能量单元体。这种能量单元体颗粒也有学者称它为亚光子[3]。波动性代表人物惠更斯(C.Huygens,1629-1695)[4] 提出了光的球面波观点，作者不能理解的是：一个光粒子是怎样产生的一个球面波，一个子波的能量又是多少?恐怕科学巨匠和高手也不理解他的具体描述。
1 自然条件下的光辐射
一份光量子能量的大小，我们不可能将一份光量子的内部结构分拆开进行测量和计算至少在当前这个时代是这样。接下来我们只有间接地使它与粒子(实物体)发生相互作用后所产生的效应进行描述。
如示，设想，这些实物粒子在常温下处于稳定状态(只有温度处在绝对零度或附近时的实物粒子才可能处于基态)，当它没有吸收外来能量时，也就不存在能量的外泻(辐射)，这时它处于临时稳定状态。在中，从S 发出的光经透镜L 后照射一透明物质，光子-1从实物粒子之间的狭小空隙(真空区域)中穿刺而过，光子-2 被实物粒子所吸收;我们构想，这个理想化粒子具有吸收一切能量段光子的能力，将吸收的每份光子又完全彻底地辐射出去(在粒子中不作任何残留)。即是，认为实物粒子辐射出去的光子与它所吸入光子的能量完全相同。显然，粒子在这一过程中经历了两个阶段：它吸收一份光子便从初始的稳定状态跃升至高的能量状态，这过程即为能量的上涨阶段;而高能态的它是极不稳定的，?即开始泻能，从高能态辐射光子而回落到原有的初始状态。粒子所经历吸能和泻能这一过程的两个阶段，就认为是粒子完成了一次能量的上涨和回落，简称粒子能量的一次涨落。粒子能量的一次涨落总会经历一段时间过程(哪怕很短)。
在中我们假设粒子在发射光子-1 后又吸收相同能量的光子，然后再辐射出光子-2;这一过程所经历的时间称为粒子能量的一次涨落(称为一个周期)，用符号T 表示。 在这个涨落周期内光子(在真空中)所运动的路程为CT, 即是：光子-1 和光子-2 之间的距离就称为一个涨落光程(为了直观，这里假定两份光子是在同一直线上)，用符号λ0 表示。
为了与经典理论相对应，便将涨落光程另名为涨落长度，光的涨落长度对照成经典概念的光波[5] 波长λ0 。 由于不同能量光子与实物粒子发生相互作用的涨落周期各异，因而涨落长度λ也不相同。显然，光子能量与涨落长度成为一一对应。涨落周期T 的倒数称为涨落频率(将光的涨落频率对照理解成经典概念光波频率), 用符号у表示, у = 1?T 。为此，作者将新旧概念对照列表：
显然，不同颜色(或称为能量)的光，它涨落一次的时间不相同，涨落光程也不相同。即是，光的涨落长度不相同。光子能量与涨落长度成为单值对应。
2 新建概念和观点
2.1 胡克参考球
当一份光子从粒子中辐射出去以后，作者假想，光量子是沿实物粒子的自旋切线方向辐射出去的，所以它离开粒子时刻就具有一速度C 。在科学史上，胡克(R.Hooke,1635-1703)[6] 认为：光是由快的振动所组成， 可于刹那之间，或者说以非常大的速度，传播过任何距离;在均匀媒质中每一个振动都将产生一个圆球，这个圆球将恒稳地向外扩大。 胡克认为，光的行为如同声音在空气中的传播。 而现代研究认为，光是一种粒子，光子的运动方向是任意地自由取向， 即是：光子的运动方向有可能是OA、OB、OE 和 OF … 等方向的任意一个。 一份光子不可能同时射向两个或两个以上的几个方向，由于光子运动方向的不确定性，所以，作者为此设计一个数学模型半径为R = Ct 的参考球，并坚信它(光子)肯定会出现在这个圆球球面上的某一点，这个光子参考球如所示。
作为一个向外辐射能量(光子)的实物粒子O ，它不可能同时辐射出两份或两份以上的多份光子，因此，一个参考球的球面上就只有一份光子出现。由于它是不受我们的具体操控，也就不能确定它的具体方向，所以，它的运动方向是自由取向。经考证，最先提出扩散圆球概念的是胡克，作者构想的这个数学模型虽然与胡克所描述的物理意义大不相同，但提议将这个光子参考球命名为光子胡克参考球，简称为胡克参考球或胡克球。
2.2 惠更斯包络面
惠更斯(C.Huygens,1629-1695)提出的包络面概念及惠更斯原理：波所到达的每一点都可以看作是新的波源，从这些点发出的波叫做子波;而新的波面就是这些子波在同一时刻所到达位置的包迹。 惠更斯所称的子波，其实应该理解成胡克提出的扩散圆球 [6] 。
但惠更斯原理对客观?物的描述是不准确的，比如，在真空中运动的光子，是以发射源为参考点的。它不是按照惠更斯包络面形式向外部空间扩散, 而是以胡克参考球方式向外部空间扩散，如所示。只有当这份光子被空间某一实物粒子完全吸收以后，又被完全辐射出去并产生了一个胡克圆球，实物粒子就是这个胡克参考球的中心。显然，包络面是由很多个胡克参考球包络而形成的，于是我们得到：
跟包络面相互作用的每一个质点，都可以看着是新的'发射源或扰动中心，从这些点发出的胡克球叫做次圆球; 而新的包迹就是这些次圆球在同一时刻所到达位置的重叠。
3 综述与讨论
早期的胡克和惠更斯理论说的都是一个一个脉冲，而不是具有一定波长的波列。后来，数学家欧勒(L. Euler,1707-1783)[5]认为, 光谱里每一种颜色必与某一定光波波长相对应。这就是最早提出波动光学的基本模式。不难看出，光波一词，是人为的一种假设。
虽然后来有实验支持，但本文作者应用胡克参考球模型和惠更斯包络面概念相结合，同样对光的干涉、衍射、折射、反射、偏振及全息[7-11]等实验结果作出了更合理的解释。
包络面的物理意义：作者对惠更斯包络面的分析，设有包络面从点O 以速度C 向四周扩散，已知t 时刻的包络面是半径为R1 的球面S1。 用惠更斯原理杨发成理论来求(t + T )时刻的包络面。S1 面上的各点都可以看作新的扰动源，它们在T 时间内发出半径为Ct 的胡克球，这些胡克参考球的包迹, 便成为新的包络面S2 和S3 ，并且S2 和S3的扩展方向相反(由于光子能量作用在粒子上的涨落时间非常小，在此处讨论可以忽略它)。
4 结论
在真空中，一份光粒子出现在以源点为中心、半径为光速与时间乘积的球面上，这个数学模型称为胡克参考球; 两个或两个以上的多个胡克参考球球面在同一时刻所到达位置的包迹，称著包络面。
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光谱分析部分可以参照物质光谱库进行分析，或者已发表的论文中的物质图谱进行参考对比，分析自己的图谱，确定相应出峰位置所对应的官能团。
