赫兹单位(从赫兹转换到秒单位)021-08-03 09: 52天文学在线
简介:光谱学研究能量和物质之间作为波长函数的相互作用。不同的化学元素有不同的发射特性，我们可以通过分析谱线来推断未知物体的化学成分。光子的能量与其波长有关，因此光谱学可以用来识别任何化学元素或化合物。
光谱学是研究能量和物质之间的相互作用作为波长的函数。不同的化学元素有不同的发射特性，我们可以通过分析谱线来推断未知物体的化学成分。光子的能量与其波长有关，因此光谱学可以用来识别任何化学元素或化合物。
在我们知道什么是光谱学之前，我们先来看看什么是光。光是一种电磁波。
电磁图谱
在本文中，我们只需要关注可见光。
光通过棱镜的动画演示
早在公元40世纪，塞纳卡就发现了光通过棱镜的色散现象。然而，直到1666年牛顿提出了光由不同颜色组成的概念，才广为流传。1802年，英国化学家威廉·海德·沃拉斯顿通过玻璃棱镜观察到光谱中的暗线(吸收线)。后来在1814年，德国物理学家约瑟夫·冯·弗劳恩霍夫独立地重新发现了这些谱线，并开始系统地研究这些波长的特性。他一共画了570多条线，从A排到K排，比较弱的线用其他字母代表。
可见光谱中的氢吸收线
如果通过棱镜观察太阳光谱，或许可以观察到上面这张图。这些被称为夫琅和费线或吸收线。
1859年，古斯塔夫·罗伯特·基尔霍夫(gustav robert kirchhoff)和罗伯特·本生(robert bunsen)通过观察元素燃烧形成的光谱，指出每种化学元素的辐射都有自己独特的“特征”，并得出结论:太阳光谱中的暗线是太阳上层元素吸收造成的。有些东西被地球大气中的氧分子吸收。例如，用分光计观察燃烧的氢，我们可以观察到一组不同的辐射。
氢的辐射
对比两张图，不难看出两条线是吻合的。在实验过程中，基尔霍夫和本生灯观察了太阳穿过热气(来自本生灯)时的光谱，并比较了不同元素的光谱。本生灯就是在这个过程中发明的。
基尔霍夫-本生实验
一般来说，太阳光谱中有1000多条可观测的夫琅和费线。因为每种元素都有自己的特点，所以我们可以通过分析线条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，电子围绕原子核运动。值得注意的是，在这个模型中，只允许电子在离原子核一定距离的地方绕轨道运行，就像行星只能在一定距离绕太阳运行一样。离原子核越远，需要的能量越多。每个“距离”被称为一个能级。电子可以在不同能级之间移动，但需要交换能量。当我们讨论光子的能量时，我们也可以讨论波长，因为两者是相关的。需要的能量是由两个能级的能量差决定的，不同元素的能级不同。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是波长，单位是赫兹。
为了移动到更高的能级，电子必须获得能量。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。相反，当一个电子移动到一个较低的能级时，它会释放出等量的能量，从而产生一条发射线。能级一般记为n，之一能级为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，需要释放能量。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跳到n = 3，就形成了一条吸收线。当我们在燃烧器中加热氢气时，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。下表总结了氢所需的能量。这也被称为巴尔末系列。
每种不同的元素都有自己独特的能级。当一个元素原子结合成一个分子时，能级又会发生变化。正因为如此，我们可以用光谱学来鉴别几乎任何元素或化合物。
作者:蒂姆·特罗特
玛格丽特
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