99儀分光譜學.pdf

Part I 光譜學基本原理 Basic Principle of Optical Spectroscopy 1 光？什麼是光 ？那是什麼光？ 沒有光就沒有生命 ！ 光隨著太陽升起而環繞 在我們左右 ，隨太陽西 下而消失 ，偶而抬頭看 看在大雨過後陽光乍現 時那一灣美麗的虹彩 ， 這一切是那麼的自然 ， 但是你是否想過光是什 麼？ 2  光譜研究的鼻祖是鼎鼎大名的科學家牛頓，1666年 ， 當他 24歲時 ，他做了有名的三稜鏡光散射實驗 ，將一 束太陽光經一塊三角形玻璃稜鏡折射後 ，在牆上分布 成紅﹑橙 ﹑黃 ﹑綠﹑藍 ﹑靛 ﹑紫等七色的彩色光帶。 當再倒放一個三稜鏡於第一個三稜鏡後面時 ，各顏色 又重新組合成為一束白光 。  1672年 ，牛頓在倫敦皇家學會上發表了第一篇論文 「光和色的新理論」中 ，牛頓將這種彩虹色帶命名為 光譜(Spectrum) ，並解釋了它的成因 ：日光原是各種 色光混合而成的 ，由於各色光的折射率不同 ，所以通 過三稜鏡時被色散開來 。  其實牛頓並不是第一位觀察到這種色散現象的人 ，早 在西元一世紀時 ，羅馬最偉大的政治家兼哲學家西尼 卡 ，就曾提到當陽光照過一塊角形的玻璃時 ，會呈現 彩虹的全部顏色 ，只是西尼卡認為那是玻璃將白光 「著色 」的結果 。 3  1800年 ，英國天文學家威廉．赫瑟爾爵士做了一個有趣 的實驗 ，他將一個非常靈敏的溫度計放在經稜鏡色散開 來的光譜中，測量各色光的溫度 。結果發現愈向紅光方 向溫度愈高 ，而且超出紅光後，在沒有色光的地方 ，溫 度還繼續升高 ，他推斷在紅光之外一定還有一種我們人 類肉眼所看不見的輻射光 ，就這樣發現了波長比紅光更 長的 「紅外線」(Infrared ，簡寫為 IR) 。紅外線具有較 強的熱效應 ，因此也叫 「熱線」。  1801年 ，德國物理學家里特爾研究氯化銀的光敏現象 ， 發現氯化銀在可見光照射時會分解 ，但當暴露在可見光 譜的紫光外側時 ，分解得更快。他因而推斷在紫光之外 一定也有一種我們人類肉眼所看不見的輻射光，那就是 波長比紫光更短的紫外線 (Ultraviolet ，簡寫為 UV) 。紫 外線具有較強的化學效應 ，因此也叫 「化學線 」。 4  1864年 ，蘇格蘭物理學大師馬克士威 綜合庫侖 ﹑安 培及 法拉第的電磁場概念 ，以數學方程式發展出重 要的電磁學理論 ，預言了電磁輻射的存在 ，指出電 磁輻射是藉波動型式以光速傳播 ，並將光視為一種 電磁波 。  1888年 ，德國物理學家 赫茲在實驗室中產生了無線 電波 ，測其波長和速度 ，發現其振動性以及反射 ﹑ 折射等特性皆與光波﹑熱波等毫無二致 ，而證明了 馬克士威的理論 －光和熱都是電磁輻射的一種型 式。即光 ﹑熱以及其他各種電磁輻射 ，包括後來發 現的 ﹑波長比紫外線更短的Ｘ光﹑伽馬射線以及宇 宙射線等 ，本質上都是相同的，都是電磁波 ，只是 波長不同而已 。 後來的研究又指出 光亦具有粒子的性質 （光電效 應 ）。 5 光的波動性質 —光是一種電磁輻射 （電磁波 ）以光速傳播 所有電磁波的速度都相等 ，為光速 （C = 3x1010cm/sec ）  λ: Wavelength (cm) ν: Frequency (sec-1 or Hz) 所以 C ＝ λ‧ν 