光譜學(xué)發(fā)展史

第四節(jié)光譜學(xué)的發(fā)展_、光譜學(xué)光譜是復(fù)色光經(jīng)過色散系統(tǒng)(如棱鏡、一光柵)分光后，被色散開的單色光按波長(zhǎng)(或頻率)大小而依次排列的圖案，全稱為光學(xué)頻譜。光波是由原壬內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的電壬產(chǎn)生的.各種物質(zhì)的原子內(nèi)部電子的運(yùn)動(dòng)情況不同，所以它們發(fā)射的光波也不同.研究不同物質(zhì)的發(fā)光和吸收光的情況，有重要的理論和實(shí)際意義，成為一門專門的學(xué)豐一光譜學(xué)。通過光譜的研究，人們可以得到原子、分子等的能級(jí)結(jié)構(gòu)、能級(jí)壽命、電子的組態(tài)、分子的幾何形狀、化學(xué)鍵的性質(zhì)、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等多方面物質(zhì)結(jié)構(gòu)的知識(shí)。但是，光譜學(xué)技術(shù)并不僅是一種科學(xué)工具，在化學(xué)分析中它也提供了重要的定性與定量的分析方法。二、光譜學(xué)的發(fā)展人類觀察到的第一種光譜，無疑是天空中的彩虹，自然界中另一個(gè)引人注目的光譜現(xiàn)象是極光。對(duì)可見光譜所作的首次科學(xué)研究是1666年牛頓的著名色散實(shí)驗(yàn)，這是人類最早對(duì)光譜的研究。牛頓的色散實(shí)驗(yàn)看到的是一條彩色光帶，并未觀察到光譜譜線。直到136年之后(1802年)，英國(guó)科學(xué)家沃拉斯頓(1766?1828)才采用了窄的狹縫。發(fā)現(xiàn)太陽光譜中的7條暗線，這是光譜學(xué)的一個(gè)重大的進(jìn)展，因?yàn)橛锚M縫的像進(jìn)行研究要比用針孔的像進(jìn)行研究容易得多。但并未深入研究，錯(cuò)誤認(rèn)為是顏色的分界線。1、夫瑯和費(fèi)譜線的發(fā)現(xiàn)德國(guó)物理學(xué)家夫瑯和費(fèi)(1787?1826)，也獨(dú)立地采用了狹縫，在研究玻璃對(duì)各種顏色光發(fā)折射率時(shí)偶然發(fā)現(xiàn)了燈光光譜中的橙色雙線；1814年，發(fā)現(xiàn)太陽光譜中的許多暗線；1822年，夫瑯和費(fèi)用鉆石刻刀在玻璃上刻劃細(xì)線的方法制成了衍射光柵。夫瑯和費(fèi)是第一位用衍射光柵測(cè)量波長(zhǎng)的科學(xué)家，被譽(yù)為光譜學(xué)的創(chuàng)始人。夫瑯和費(fèi)利用自己的狹縫和光柵得以編排太陽光譜里576條狹窄的、暗的“夫瑯和費(fèi)線”。夫瑯和費(fèi)線是光譜中最早的基準(zhǔn)標(biāo)識(shí)，對(duì)這些暗線的解釋一直是其后45年中的一個(gè)重要問題。最后，海德堡大學(xué)的物理學(xué)教授基爾霍夫(1824?1887)給出了答案。他斷言：“夫瑯和費(fèi)線”與各種元素的原子發(fā)射譜線處于相同波長(zhǎng)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(zhǎng)造成的。這種吸收與發(fā)射之間的關(guān)系導(dǎo)致他創(chuàng)建了現(xiàn)在眾所周知的基爾霍夫定律。其間：赫歇爾發(fā)現(xiàn)了不連續(xù)的吸收光譜；布儒斯特觀察過氣體的吸收光譜，并與太陽光譜作比較，證明太陽大氣中含有亞硝酸氣，這是首次用光譜分析方法確定星體中的組成成分。傅科在1849年對(duì)吸收光譜和發(fā)射光譜的關(guān)系研究，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夫瑯和費(fèi)譜線中D1、D2位置恰好一致。

2、光譜分析方法的確定實(shí)用光譜學(xué)是由基爾霍夫與本生(1811?1899)在19世紀(jì)60年代發(fā)展起來的，他們系統(tǒng)地研究了多種火焰光譜和火花光譜，并指出，每一種元素的光譜都是獨(dú)特的，并且只需極少里的樣品便可得到，這樣，他們就牢固地建立起光譜化學(xué)分析技術(shù)。并利用這種方法發(fā)現(xiàn)了兩種新元素：銣和艷。這兩種元素的發(fā)現(xiàn)是卓越的，因?yàn)樗乳T捷列夫提出的能預(yù)言未知元素的周期律還早10年。這是通過光譜分析方法發(fā)現(xiàn)的一些元素中的第一批元素。同時(shí)人類應(yīng)用光譜技術(shù)共發(fā)現(xiàn)了18種元素。他們研究了太陽光，并且首次對(duì)環(huán)繞太陽的大氣層作了化學(xué)分析，指出環(huán)繞太陽的大氣也是由地球上已知的那些元素組成的。1859年，本生和基爾霍夫還研制出了第一臺(tái)實(shí)用的光譜儀。1868年，瑞典物理學(xué)家埃格斯特朗(1814?1874)發(fā)表了“標(biāo)準(zhǔn)太陽光譜”圖表，記載了上千條夫瑯和費(fèi)譜線的波長(zhǎng)，為光譜學(xué)研究提供了有價(jià)值的標(biāo)準(zhǔn)。為紀(jì)念埃格斯特朗將波長(zhǎng)的單位定為埃。1882年，美國(guó)物理學(xué)家羅蘭(1848?1901)研制出平面光柵和凹面光柵，獲得了極其精密的太陽光譜，譜線多達(dá)20000多條，新編制的“太陽光譜波長(zhǎng)表”被作為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，使用長(zhǎng)達(dá)30年之久。3、光譜規(guī)律的探索從19世紀(jì)中葉起，氫原子光譜一直是光譜學(xué)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(xiàng)成就對(duì)量子力學(xué)法則的建立起了很大促進(jìn)作用。這些法則不僅能夠應(yīng)用于氫原子，也能應(yīng)用于其他原子、分子和凝聚態(tài)物質(zhì)。氫原子光譜中最強(qiáng)的一條譜線是1853年由瑞典物理學(xué)家埃斯特朗探測(cè)出來的。此后的20年，在星體的光譜中觀測(cè)到了更多的氫原子譜線。1885年，從事天文測(cè)量的瑞士科學(xué)家巴耳末(1825?1898)找到一個(gè)經(jīng)驗(yàn)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。n=3，4，5,B=364.57nm繼巴耳末的成就之后，1889年，瑞典光譜學(xué)家里德伯(1854?1919)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(gè)簡(jiǎn)單的公式。n=3，4，5其中R=4/B，被稱為里德伯常量。1.0967758X10而-1賴曼系帕邢系布喇開系普芳德系~=R(———)1賴曼系帕邢系布喇開系普芳德系~=R(———)12n2~ 1 1~=R( )32n2一1 1\o"CurrentDocument"v=R( )42n2~ 1 1\o"CurrentDocument"v=R( )52n2n=2,3,4,...在紫外區(qū)n=4,5,6…在近紅外區(qū)n=5,6,7 在紅外區(qū)n=6,7,8,.在紅外區(qū)盡管氫原子光譜線的波長(zhǎng)的表示式十分簡(jiǎn)單，不過當(dāng)時(shí)對(duì)其起因卻茫然不知。一直到1913年，玻爾才對(duì)它作出了明確的解釋。但玻爾理論并不能解釋所觀測(cè)到的原子光譜的各種特征