光谱仪的历史你知道吗?
分类:仪器仪表

吸收光谱高温物体发出的白光(其中包含连续分布的一切波长的光)通过物质时,某些波长的光被物质吸收后产生的光谱,叫做吸收光谱。例如,让弧光灯发出的白光通过温度较低的钠气(在酒精灯的灯心上放一些食盐,食盐受热分解就会产生钠气),然后用分光镜来观察,就会看到在连续光谱的背景中有两条挨得很近的暗线,这就是钠原子的吸收光谱。值得注意的是,各种原子的吸收光谱中的每一条暗线都跟该种原子的发射光谱中的一条明线相对应。这表明,低温气体原子吸收的光,恰好就是这种原子在高温时发出的光。因此,吸收光谱中的谱线(暗线),也是原子的特征谱线,只是通常在吸收光谱中看到的特征谱线比明线光谱中的少。

光谱仪又叫分光仪,是将成分复杂的光分解为光谱线的科学仪器,由棱镜或衍射光栅等构成。光谱分析是人类借助光认知世界的重要方式。地球上不同的元素及其化合物都有自己独特的光谱特征,光谱因此被视为辨别物质的“指纹”。通过光谱仪分析不同物质的光谱,可以探查出许多重要信息,比如未知星球的表体信息、钢材和宝石的品质、爆炸物特性等等。

中国化工仪器网 本网视点】光谱分析方法作为一种重要的分析手段,在科研、生产、质控等方面均发挥着极大的作用。近年来,无论是原子吸收光谱、原子荧光光谱、近红外光谱、激光拉曼光谱还是光电直读光谱、激光诱导击穿光谱等均在环境监测、生命科学、食品检测均有着极为广泛的应用需求。光栅光谱作为光谱分析方法的一类,其市场需求也日益显现。 光栅光谱仪是将成分复杂的光分解为光谱线的科学仪器。通过光谱仪对光信息的抓取、以照相底片显影,或电脑化自动显示数值仪器显示和分析,从而测知物品中含有何种元素。该仪器具有分辨率高、谱线范围宽、动态范围广、检出限低等特点,被广泛应用于颜色测量、化学成份的浓度测量或辐射度学分析、膜厚测量、气体成分分析等领域中。 作为该仪器重要的分光器件,光栅无疑是广大用户选择仪器的重要考虑因素。主要包括闪耀波长、光栅刻线、光栅效率等。如今,随着我国在光谱研究领域技术不断取得进步,对于用户在光栅光谱仪的分光器件需求在不断做出研究和调整,满足广大用户需求。同时,对于仪器相关研究工作也不断获得突破性进展。 之前,中国科学院光电所研究团队从理论上分析了波前像差对光栅光谱仪光谱展宽和能量利用率的影响,提出了一种基于双波前传感器自适应光学技术的太阳光栅光谱测量方法。作为研究太阳大气爆发基本物理反应过程的重要工具,光栅光谱仪可用于确定物理反应过程中的热力学参数,如磁场、温度、压强、元素丰度等,是太阳望远镜后端的重要仪器之一。该研究实现对整个光学系统中动态波前像差和系统静态像差校正,提高光栅光谱仪的光谱成像性能。 科研进展促进光栅光谱仪行业发展,为分析应用领域提供了更为有利的支撑。同时,仪器技术成熟使得其应用领域不断扩大,需求增长,为相关科研、质检行业服务。根据政府采购网近半年发布的采购信息来看,共7家单位对该仪器进行采购。分别为郑州外国语学校采购1台钠原子光谱的拍摄与分析;安徽师范大学采购3台光栅光谱仪;北京信息科技大学1台近红外体光栅光谱仪;东北石油大学采购1台组合式多功能光栅光谱仪;山东大学采购组合式多功能光栅光谱仪、广西桂林市育才路15号采购1台组合式多功能光栅光谱仪、滨州学院采购光栅光谱仪。 推进技术革新,方能占领市场高地。目前,我国在光栅光谱仪方面的研发技术不断进步,相关的仪器产品也逐渐为市场和用户所认可。接下来,随着技术不断革新和产品的创新升级,光栅光谱仪的应用领域还将更为广阔。作为国产光谱仪企业,北京同德创业科技有限公司、北京中慧天诚科技有限公司、郑州泽铭科技有限公司等应牢牢抓住商机,同时,发挥重要的带头作用。

复色光经过色散系统(如棱镜、光栅)分光后,按波长(或频率)的大小依次排列的图案。例如,太阳光经过三棱镜后形成按红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫次序连续分布的彩色光谱。红色到紫色,相应于波长由7,700-3,900埃的区域,是为人眼所能感觉的可见部分。红端之外为波长更长的红外光,紫端之外则为波长更短的紫外光,都不能为肉眼所觉察,但能用仪器记录。

光谱起源于17世纪,1666年,23岁的牛顿在幽暗房间的护窗板上开了一个小孔,一束太阳光进入并从放置好的玻璃棱镜上传过,诞生了科学史上有名的“人造彩虹”——那束折射到墙上的光不仅是变宽的光点,更是红、橙、黄、绿、蓝、紫排列的彩色光带。牛顿又将这条“人造彩虹”通过反向放置的第二个棱镜重新结合,又变成了白色的光,发现白光是由各种颜色的光组成的。这可算是最早对光谱的研究。

实验证明,原子不同,发射的明线光谱也不同,每种元素的原子都有一定的明线光谱。每种原子只能发出具有本身特征的某些波长的光,因此,明线光谱的谱线叫做原子的特征谱线。利用原子的特征谱线可以鉴别物质和研究原子的结构。

自牛顿以后,一直没有引起人们的注意。其后一直到1802年,渥拉斯顿观察到了光谱线,其后在1814年夫琅和费也独立地发现它。牛顿之所以没有能观察到光谱线,是因为他使太阳光通过了圆孔而不是通过狭缝。在1814~1815年之间,夫琅和费公布了太阳光谱中的许多条暗线,并以字母来命名,其中有些命名沿用至今。此后便把这些线称为夫琅和费暗线。 夫琅和费暗线1826年泰尔博特研究钠盐、钾盐在酒精灯上光谱时指出,发射光谱是化学分析的基础、钾盐的红色光谱和钠盐的黄色光谱都是这个元素的特性。实用光谱学是由基尔霍夫与本生在19世纪60年代发展起来的。他们为了研究金属的光谱自己设计和制造了一种完善的分光装置,这个装置就是世界上第一台实用的光谱仪器,研究火焰、电火花中各种金属的谱线,从而建立了光谱分析的初步基础。他们证明光谱学可以用作定性化学分析的新方法,并利用这种方法发现了几种当时还未知的元素,并且证明了太阳里也存在着多种已知的元素。 世界上第一台实用的光谱仪器从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。氢原子光谱中最强的一条谱线是1853年由瑞典物理学家埃斯特朗探测出来的。此后的20年,在星体的光谱中观测到了更多的氢原子谱线。1885年,从事天文测量的瑞士科学家巴耳末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。继巴耳末的成就之后,1889年,瑞典光谱学家里德伯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,不过当时对其起因却茫然不知。一直到1913年,玻尔才对它作出了明确的解释。但玻尔理论并不能解释所观测到的原子光谱的各种特征,即使对于氢原子光谱的进一步的解释也遇到了困难。能够满意地解释光谱线的成因的是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便成功地解释了光谱线的分裂现象。电子自旋的概念首先是在1925年由乌伦贝克和古兹密特作为假设而引入的,以便解释碱金属原子光谱的测量结果。在狄拉克的相对论性量子力学中,电子自旋(包括质子自旋与中子自旋)的概念有了牢固的理论基础,它成了基本方程的自然结果而不是作为一种特别的假设了。1882年,罗兰发明了凹面光栅,即是把划痕直接刻在凹球面上。凹面光栅实际上是光学仪器成象系统元件的合为一体的高效元件,它解决了当时棱镜光谱仪所遇到的不可克服的困难。凹面光栅的问世不仅简化了光谱仪器的结构,而且还提高了它的性能。凹面光栅光路图1896年,塞曼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。这种现象称为塞曼效应。次年,洛伦兹对于这个效应作了满意的解释。塞曼效应不仅在理论上具有重要意义,而且在应用中也是重要的。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。波耳的理论在光谱分析中起了作用,其对光谱的激发过程、光谱线强度等提出比较满意的解释。从测定光谱线的绝对强度转到测量谱线的相对强度的应用,使光谱分析方法从定性分析发展到定量分析创造基础。从而使光谱分析方法逐渐走出实验室,在工业部门中应用了。1928年以后,由于光谱分析成了工业的分析方法,光谱仪器得到迅速的发展,一方面改善激发光源的稳定性,另一方面提高光谱仪器本身性能。最早的光源是火焰激发光谱;后来又发展应用简单的电弧和电火花为激发光源,在上世纪的三十、四十年代改进采用控制的电弧和电火花为激发光源,提高了光谱分析的稳定性。工业生产的发晨,光谱学的进步,促使光学仪器进一步得到改善,而后者又反作用于前者,促进了光谱学的发展和工业生产的发展。

光谱技术和光谱仪器持续向高科技知识密集化方向发展

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光波是由原子内部运动的电子产生的。各种物质的原子内部电子的运动情况不同,所以它们发射的光波也不同。研究不同物质的发光和吸收光的情况,有重要的理论和实际意义,已成为一门专门的学科--光谱学。发射光谱物体发光直接产生的光谱叫做发射光谱。发射光谱有两种类型:连续光谱和明线光谱。连续分布的包含有从红光到紫光各种色光的光谱叫做连续光谱。炽热的固体、液体和高压气体的发射光谱是连续光谱。例如电灯丝发出的光、炽热的钢水发出的光都形成连续光谱。

牛顿著名的色散试验

光谱仪器小型化成为目前和今后的发展潮流

可以预计,由于新世纪全球多领域的新发展对小型化光谱仪器的研发、生产、应用需求会更加迫切,一定会成为今后相当长时期内备受关注的方向。

近红外光谱分析技术和仪器不断成熟和推广应用

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传统光谱仪器不但是大型精密、贵重仪器,而且对工作环境条件(温度、湿度、振动、电磁干扰要求严酷,必须要由专业分析人员)。为适应全球发展形势,上世纪后期已有强烈的光谱仪器小型化、便携式、现场化的需求,并已出现光谱仪器小型化的潮流,研发小型化光谱仪器成为各国科技、产业部门的关注重点。至于现代军事科技发展迫切需求的战场、现场快速放射、生物、化学武器侦查的便携式光谱仪,今后若干年会成为全球各国研发重点。

这种光谱仪器必须跳出实验室设备、大型精密贵重仪器%的框子,能忍受现场、野外(包括太空)的严酷工作环境及强、乱、变化多端的干扰(如强电磁干扰、恶劣气候变化等)、能无人值守、脱离电网长期工作、自动监测、自动调整最佳工作状态、自动联网交换信息。因此,大型精密研究级光谱仪器与现场、在线测控实用级光谱仪器或系统,今后一二十年都会受到重视会得到显着发展。

光谱分析由于每种原子都有自己的特征谱线,因此可以根据光谱来鉴别物质和确定它的化学组成,这种方法叫做光谱分析。做光谱分析时,可以利用发射光谱,也可以利用吸收光谱。这种方法的优点是非常灵敏而且迅速。某种元素在物质中的含量达10-10克,就可以从光谱中发现它的特征谱线,因而能够把它检查出来。光谱分析在科学技术中有广泛的应用:

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