光谱学

光谱学（Spectroscopy）是光学的一个分支学科，主要研究各种物质的光谱的产生及其物质与不同频率电磁波之间的相互作用。

最早的光谱研究可以追溯到1666年，牛顿（Isaac Newton）把通过玻璃棱镜的太阳光分解成了从红光到紫光的各种色光。基尔霍夫（Gustav Robert Kirchhoff）和本生（Robert Wilhelm Bunsen）通过对约瑟夫·冯·夫琅和费（Joseph von Fraunhofer）光源的解释确认了太阳光源线是物质存在的标志，创立了最早的精确光谱分析的方法。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。瑞士科学家约翰·巴耳末（Johann Jakob Balmer）找到一个经验公式巴耳末系来说明已知的氢原子谱线的位置。此后虽然观测到各种原子的光谱特征，但无法解释，直到20世纪发展起来的量子力学才完美解释了光谱线的分裂现象。

光谱学是通过测量物质内部辐射能的变化从而进行分析的方法，一般分为发射光谱学、吸收光谱学、散射光谱学和激光光谱学。光谱是物质的指纹，是原子分子物理、化学反应动力学、大气环境监测、高灵敏度气体监测、工业过程控制和医学诊断等的重要手段。光谱学是一门跨学科的技术，广泛应用于医学、物理学、化学和天文学等领域。

学科概述

光谱学是一门主要涉及物理及化学的重要交叉学科，光学的一个分支学科。光谱是复色光经过色散系统，如利用棱镜、光栅、傅里叶变换等手段进行分光，形成单色光，即将一束电磁辐射的某项性质，解析成此辐射的各个组成波长对此性质的贡献。各个辐射波长都具有各自的特征强度，解析后的电磁辐射（单色光）按照波长（或频率）大小进行有序排列，形成图表。按照光与物质的作用形式，光谱一般可分为吸收光谱、发射光谱、散射光谱等，这些不同种类的光谱学从不同方面提供物质微观结构知识及不同的化学分析。

通过研究各种物质的光谱的产生，并利用光谱研究物质结构、物质与电磁辐射相互作用以及对所含成分进行定性和定量分析。通过光谱可以研究原子、分子等的能级结构、能级寿命、电子的组态、分子的几何形状、化学键的性质、反应动力学等多方面的物质结构。

发展简史

牛顿光谱

光谱学的研究可以追溯到17世纪。1666年，艾萨克·牛顿（Isaac Newton）通过光的色散实验（棱镜分解太阳光）发现小行星1185具有七色，即从红光到紫光的光谱，发展出了颜色理论，这可算是对光谱最早的研究。牛顿对太阳光谱的研究的成果是一项划时代的成就，开创了光谱学这一崭新的科学天地。1752年英国托马斯·梅尔维尔（Thomas Melvill）报告了他对多种物质产生的火焰光谱的研究，发现包括钠谱线在内的一些谱线。梅尔维斯的发现是牛顿色散研究以后的重要发现。

1800年，英国天文学家威廉·赫歇尔（Friedrich Wilhelm Herschel）研究太阳光谱的各种色光的热作用，发现太阳光谱中红外波段有辐射，这是首次探测到天体的红外辐射，他科学地推测得出了红外辐射的性质；他还发现了不连续的吸收光谱。1801年，约翰·威廉·里特（Johann Wilhelm Ritter）从氯化银变黑肯定了在紫端之外存在另一种看不见的光辐射，从而发现了紫外线，还根据这一化学作用判断紫外线比可见光具有更高的能量。1802年，英国科学家威廉•海德•沃拉斯顿（William Hyde Wollaston）观察到太阳光谱的不连续性，发现中间有多条黑线。苏格兰科学家、爱丁堡大学前校长布儒斯特（David Brewster）观测经过气体吸收的光谱，并与太阳光谱做比较，证明了太阳大气中含有亚硝酸气。首次用光谱分析法确定星体中的组成成分，促进了光谱学与光谱分析的研究和应用。

夫琅和费谱线

1814~1822年，约瑟夫·冯·夫琅和费（Joseph von Fraunhofer）在太阳的光谱中发现了576条黑线，即夫琅和费线。他发现了太阳光谱中的吸收线，认识到它们相当于火花和火焰中的发射线。他第一个定量地研究了衍射光栅，用其测量了光的波长，给出了光栅方程，随后制成了衍射光栅。

1848年乔治·斯托克斯（George Gabriel Stokes）发表了有关光谱的研究，对太阳光谱中的暗线（即约瑟夫·冯·夫琅和费线）作出解释。同年，阿曼德·斐索（Armand Hippolyte Louis Fizeau）用分光仪观察了天体光谱，使用起偏振器从而独立地发现光波的多普勒效应，因此又称为多普勒—斐索效应。1849年傅科（Jean-Bernard-Léon Foucault）研究吸收光谱和发射光谱的关系，发现碳极间的电弧光光谱中橙黄色部分的明亮双线与约瑟夫·冯·夫琅和费谱线中D1、D2位置恰好一致。

在1849年，傅科研究了碳极间电弧光的光谱产生，发现了黄橙两色之间有两条明线，他用钻石刻刀在玻璃上刻成透射光栅，刻线宽度达0.04~0.6毫米，他测得钠D线波长为0.00058877毫米，这一精确的数值，约瑟夫·冯·夫琅和费是第一位用衍射光栅测量波长的科学家，被誉为光谱学的创始人。虽然光栅有很多优点，如光栅色散率均匀（克服了棱镜色散率不均匀的缺陷），但对光的吸收很有限等制作要求很难普及。后来改进刻制技术，为以后安德斯·埃格斯特朗（Anders Jonas Ångström）编制详细太阳光谱图奠定了基础。

基尔霍夫和本生的光谱论

物理学家和化学家共同开创了光谱学这门实用性学科。1853年，埃格斯特朗最先从气体放电的光谱中确定了氢的Hα谱线，证明它就是约瑟夫·冯·夫琅和费在太阳光谱中发现的C线；另外三根在可见光波段内，即Hβ、Hγ、Hδ谱线，并精确测量了它们的波长。同年，德国化学家化学家罗伯特·本生（Robert Wilhelm Bunsen）发明了著名的本生灯，灯的温度可以达到2300摄氏度，没有颜色，可以使他发现各种化学物质的颜色。不同物质在灯上燃烧的时候，发出不同的焰色，为他建立光谱分析提供了机遇。1859年本生和德国物理学家古斯塔夫·基尔霍夫（Gustav Robert Kirchhoff）一起发明了第一台真正意义上的光谱仪（直筒望远镜结合三棱镜，让光线进入三棱镜分光）。根据这一装置，1859年基尔霍夫对光的吸收和发射之间的关系进行深入研究，并且发现了定量的关系，这就是基尔霍夫定律。以后又根据分光装置，发现与，开创了实用光谱学。

基尔霍夫根据热平衡理论导出，任何物体对电磁辐射的发射本领和吸收本领的比值与物体特性无关。是波长和温度的普适函数，即与吸收系数成正比。并由此判断：太阳光谱的暗线（约瑟夫·冯·夫琅和费线）是太阳大气中元素吸收的结果；夫琅和费线与各种元素的原子发射谱线处于相同波长的位置。这些黑线的产生是由于在太阳外层的原子温度较低，因而吸收了由较高温度的太阳核心发射的连续辐射中某些特定波长造成的。这给太阳和恒星成分分析提供了一种重要的方法，天体物理由于应用光谱分析方法而进入了新阶段。

巴耳末系

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。1885年，从事天文测量的瑞士科学家约翰·巴耳末（Johann Jakob Balmer）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。巴尔末公式如下：

光谱化学分析法使人们可以探测出太阳、恒星以及其他不可接近的光源中某些元素的存在，为以后天体化学的研究打下了坚实的基础。1859年10月20日，基尔霍夫向柏林科学院提交报告，指出经过光谱分析，证明了在太阳里存在着多种已知的元素，如氢、钠、铁、钙、等。本生和基尔霍夫合作，用这种光谱化学分析方法准确地鉴别出各种物质的成分，发现了元素铯和铷。

埃格斯特朗光谱论

1861年，英国化学家威廉·克鲁克斯（William Crookes）用光谱法发现了铊。1862年时埃格斯特朗在太阳的大气层中发现了氢和其他元素，并找到了氢原子光谱。他总结了基本的光谱分析原理，为太阳光谱的辐射波长绘制了标准太阳谱图表，记录了太阳光谱中上千条谱线的波长。埃格斯特朗的研究奠定了日后气体光谱的检测，意义十分重大。他对光谱学的发展起到了积极的推动作用，是光谱学研究链条上重要的一环，承上启下，非常关键。布儒斯特（David Brewster）、约瑟夫·冯·夫琅和费、埃格斯特朗被认为是光谱学的奠基者。此外，马赫（Ernst Mach）（研究炽热气体的光谱）、阿贝（Ernst Karl Abbe）（使物镜色差校正扩展到整个光谱区）和詹姆斯·杜瓦（James Dewar）都在光谱学研究中做出了贡献。杜瓦吕振羽人合作，通过光谱来分析物质的组成并研究太阳的组成。杜瓦可谓是光谱分析法的先驱之一。

1863年德国著名的化学家威廉·赖希（Wilhelm Reich）和其助手里希特（J.B.Jeremias Benjamin Richter）也是用光谱法发现了新元素，他们研究闪锌矿的铊光谱时，发现一条蓝色光谱。以后又用光谱法发现了镓、、锗等。光谱分析法的确立，开创了光谱分析的新时代，为元素定性鉴定和新元素发现开辟了一条新路。此后，光谱分析法被广泛采用，很快成为物理，化学和天文学界开展科学研究的重要手段，人类应用光谱技术共发现了18种元素。光谱分析法被称为“化学家的眼睛”。

近现代时期

1889年，瑞典光谱学家里德伯（Johannes Rober Rydberg）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，不过当时对其成因却茫然不知。1896年，荷兰物理学家彼得·塞曼（Pieter Zeeman）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。现在把这种现象称为塞曼效应。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。1913年，阿格·玻尔（Aage Niels Bohr）才对氢原子光谱作出了明确的解释。但玻尔理论并不能解释所观测到的原子光谱的各种特征，对氢原子光谱的进一步的解释也遇到了困难。能够圆满地解释光谱线成因的是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成功地解释了光谱线的分裂现象。

第二次世界大战后，一大批阐述光谱分析应用和光谱仪器的专著问世。20世纪50—60年代原子吸收和原子荧光光谱分析技术有重大进展。到20世纪60年代，高强度、高单色性激光的出现给光谱学这门学科注入了新的活力，激光光源的优越性被发挥的淋漓尽致。比如激光的单色性使分光器件分辨率提高，高强度提高了探测的灵敏度，而且强光与物质粒子的相互作用中，产生了各种可观测的非线性光谱效应。光谱分析法具有分析速度快，操作简便、不需要纯样品、可同时测定多种元素和化合物以及选择性好、灵敏度高、样品损坏小的特点。现代光谱分析技术已经成为生命科学、环境科学与材料科学不可缺少的部分。

20世纪80年代后期，随着计算机技术和化学计量研究的深入，发展了现代近红外技术。太赫兹时域光谱（terahertztimedomainspectroscopy，THz-TDS）技术是这时由AT\u0026T、Bell实验室和IBM公司的T.J.Watson研究中心发展起来的太赫兹光谱技术。包括大部分分子的转动能级和一部分振动能级，很多分子在这一波段都具有特征指纹，因而太赫兹光谱技术可以被用来研究材料的远红外性质和频率的关系，这些关系可以更深入地了解与材料应用相关的重要的材料性质。目前已经有很多方法可以得到材料的太赫兹光谱。THz-TDS技术基于利用飞秒激光技术获得的宽波段太赫兹脉冲，具有高灵敏度、时间分辨相位信息、高信噪比等优点，越来越多地被应用于各种材料特性的研究当中。

20世纪90年代飞秒激光的进步使非线性拉曼光谱学突破到了新领域，产生了一些新理念和新方法，使得对更复杂的系统和问题能够进行攻关，并带来了具有根本上的重要性的测量。非线性拉曼光谱学的新阶段还推动了新光谱学概念的发展，包括时间分辨方案、宽带光谱学、偏振测量，以及基于更高阶非线性过程的CARS推广。

学科分支

广义说来，光谱学的频率范围从103赫（核自旋共振）起一直可延伸至1024赫（高能物理），范圈极为广阔，并在各个额率区域形成了特定的光谱学分支，可分成发射光谱学、吸收光谱学、散射光谱学（特别是拉曼光谱学）、激光光谱学等。

发射光谱学

在发射光谱学中，通过对原子或分子进行激发，记录下它们发射的特征波长组成的光谱。这些光谱以亮线形式出现在暗衬底上，通过这一现象可以进行光谱分析。分析过程包括将物质转化为气体状态、激发发光、利用光谱仪将辐射分散成光谱，并记录这些光谱。进而根据光谱特征对物质进行定性和定量分析。

定性分析通过识别发出的光谱线来确认元素的存在；而定量分析则依据谱线的强度来评估样品中元素的浓度。经典的激励源如火焰、电弧和电火花在分析中发挥重要作用。特别地，在分子的发射光谱研究中，二原子分子的光谱是主要关注对象。

发射光谱可划分为线状、带状和连续三种类型。线状光谱主要来源于原子，带状光谱则主要由分子产生，而连续光谱通常由白炽状态下的固体或气体放电产生。每种原子和分子独有的能级结构和光谱系列，不仅提供了关于它们的能级结构的知识，还有助于确定重要的物理常数，并且是化学元素分析的重要手段。

分子的发射光谱相对复杂，因为分子中电子不仅围绕原子核运动，还伴随着原子核的振动和转动。这些复杂的运动在分子光谱中得到体现，使得分子光谱成为研究分子能级结构的关键工具。

吸收光谱学

在吸收光谱学中，研究集中在分子对特定波长光的吸收现象。当连续波长的光通过某种物质时，物质会吸收其中某些特定波长的光。光谱仪将透过或反射的光展开，形成物质的吸收光谱。每种物质都具有独特的吸收光谱，分子或原子团在特定波段的特征吸收表现为带状吸收谱。

红外吸收光谱学特别重要，涉及分子内部振动和转动能级间的跃迁。这种光谱分析方法主要用于研究分子的能级结构和分子结构，也用于分子的定性和定量分析。吸收光谱方法对于有机物质特别有效，尤其适用于那些难以激发的原子或分子。

通过分析吸收光谱，可以识别分子和原子团，并定量分析它们的含量。吸收光谱学与发射光谱学相辅相成，共同为揭示物质微观结构提供了重要信息。

散射光谱学

即以拉曼散射为对象的光谱学。当光在物质中传播时，由于介质中微粒的存在或介质不均匀性，部分光线会偏离原方向，发生散射。在散射过程中，除了入射光的频率外，还可能出现新频率的光，这种现象称为拉曼散射，其光谱即为拉曼光谱。

拉曼散射是一种特殊效应，类似于X射线散射中的康普顿效应，其中光的频率会发生变化，这种变化称为拉曼频移，它取决于散射物质的特性。拉曼光谱的产生与多种因素有关，包括分子的振动、旋转、电子转移、磁场中的自由电子转移、自旋波、等离子波、声波等。

拉曼光谱分析能够对化合物进行定性和定量分析，测定分子的振动和转动频率及相关常数，揭示分子内部或分子间的作用力，推断分子结构的对称性和几何形状。拉曼光谱在物理学、化学、生物学等多个领域都有应用。由于其将红外区的分子能谱转移到可见光区进行观测，拉曼光谱成为红外光谱的重要补充，是研究分子结构的重要工具。

拉曼频移产生的谱线对称分布在入射光两侧，低频侧的称为斯托克斯线，高频侧的为反斯托克斯线，两者与入射光的频率间隔相等，但斯托克斯线的强度通常远大于反斯托克斯线，因此在实验中主要测量斯托克斯线。

在散射光谱学中，拉曼频率、强度、偏振等信息反映了散射物质的性质，这些数据有助于了解物质的结构和组成成分。拉曼效应源于分子振动和转动，因此拉曼光谱能够提供分子振动能级和转动能级结构的知识。

激光光谱学

激光光谱学作为光谱学的一个分支，其核心在于使用激光作为光源。激光技术的应用，特别是20世纪70年代初可调谐染料激光器的发明，为光谱学领域开辟了众多新方向。激光的高强度、高单色性和可调谐性，特别是其飞秒甚至更短脉冲宽度的特性，推动了激光光谱学的多样化发展。

激光光谱学衍生出多个分支，包括但不限于光声光谱、光热光道、光电流光谱、激光透导荧光谱、双共振光谱、激光拉曼谱、非线性激光光谱学（涉及饱和光谱、偏振光谱、多光子光谱等）、时间分辨光谱学、相干光谱学（包括能级交叉光谱、量子拍光谱、关联光谱等）、冷原子光谱、单离子光谱、超高分辨率光谱学、超灵敏光谱学等。这些技术使得科学家能够深入研究物质的结构、能谱、瞬态变化和微观动力学过程，包括弛豫规律，揭示了光与物质相互作用中的光物理、光化学和光生物学过程的细节。

此外，激光光谱学还包括基于研究物质分类的分支，如原子光谱学、分子光谱学、凝聚态光谱学、晶体光谱学等，以及以研究方法命名的分支，例如傅里叶变换光谱学（FTS）、腔衰荡光谱学（CRDS）、频率梳光谱学等。这些技术在化学、生物学、医学、环境科学、材料科学等多个领域中都有广泛的应用，成为探索物质世界奥秘的重要工具。

研究内容

光谱学是一门深入分析物质与电磁波相互作用的学科，其核心目标是揭示物质的微观结构和宏观特性。通过光谱分析，科学家可以详细勾画原子和分子的能级结构，包括它们的排布和寿命，同时获取电子组态、分子的几何形状以及化学键本质的关键信息。研究不仅限于物质的静态结构，也包括动态过程，例如化学反应速率，以及天文学中遥远天体中元素的分布情况。

光谱学的研究内容进一步扩展到理解物质与电磁波相互作用产生的光谱特征。光谱，作为按波长有序排列的电磁辐射集合，其特征强度显示了物质在不同波长的吸收或发射特性，允许进行物质的定性和定量分析。

光谱学研究了多种光与物质相互作用的方式：在吸收过程中，物质对特定波长光的吸收形成了具有诊断价值的吸收光谱；散射现象中，拉曼散射引入了新的频率，为研究分子的振动和转动提供了重要手段；牛顿的色散实验阐明了白光由不同颜色光组成，解释了物质颜色的成因；光电效应揭示了光子的微粒性质，推动了量子力学的发展；晶体压电效应展示了电场与晶体形变之间的联系，加深了对晶体物理性质的理解。这些研究成果构成了光谱学的基础，并为探索物质的组成、结构和动力学特性提供了理论和实验方法。

光与物质的相互作用方式

光谱学通过研究物质与光相互作用的方式，揭示了物质的微观结构和宏观特性，包括：

吸收：物质对通过它的连续波长光束中的特定波长成分吸收，导致这些成分减弱。这种吸收行为通过光谱仪转换成吸收光谱，反映了物质内部能级的跃迁，与发射光谱互为补充，为原子和分子的能级结构提供了关键信息；

散射：光在介质中传播时，由于存在微粒或介质不均匀性，部分光线偏离原方向散射。拉曼散射是其中一种散射过程，它产生了新的频率，即拉曼光谱，为分子振动和转动等性质的研究提供了重要手段；

色散：色散现象表明不同颜色的光在介质中的传播速度存在差异，这一发现对理解光与物质相互作用的基本规律具有重要意义。例如牛顿在1666年通过三棱镜的研究试验，将白光分解为不同颜色的光谱带，揭示了物质颜色的成因。

电磁辐射与物质内部结构（能级等）的关系

1887年，赫兹在进行电磁波的实验时发现了一个现象：当紫外线照射到圆环接收器间隙的电极上时，火花放电变得容易了。后来其他科学家又发现，用紫外线照射与验电器相连的带负电的锌板时，验电器的金箔立即闭合；用紫外线照射与验电器相连的不带电的锌板时，验电器带正电。通过这些现象人们认识到，用紫外线照射金属时，电子会从金属表面飞出来。这种在光的照射下物体中发射电子的现象，叫做光电效应。光电效应中发射出来的电子叫做光电子。实验表明，不仅紫外线能产生光电效应，用可见光照射碱金属（如锂、钠、钾、铯等），也能产生光电效应。为了解释光电效应的现象，科学家引人了“光子”这个概念。阿尔伯特·爱因斯坦也因为利用光子成功地解释了光电效应而获得了1921年的诺贝尔物理学奖。光量子既是一种微粒，又是一种电磁波。光子说就把几百年来争论不休的两种观点，即光的微粒说和波动说统一了起来。至此，人类对光的认识完成了第二次飞跃。

水晶压电效应

晶体压电效应是物质在机械压力作用下产生电极化的现象，其研究历程最早在1880年被居里兄弟首次观察到这一现象，即石英晶体在受压后产生电量变化。基于能量守恒和电量守恒定律，压电效应的逆过程为：在电场作用下，石英会发生形变。严济慈通过精确的实验方法，采用单色光干涉法，成功测量了石英在不同方向和不同电压下因电场作用而产生的微小形变，从而验证了压电效应的逆过程，并揭示了其普遍规律。

中国物理学家严济慈通过研究发现电场作用下水晶的双折射现象，即在垂直于电轴方向施加电压时，该方向的双折射增强，而在垂直于光轴和电轴的第三轴方向，双折射减弱；负电压作用下效果则相反。

研究方法

光谱实验

基于电磁辐射与物质相互作用产生的特征光谱波长与强度进行物质分析的方法。它涉及物质的能量状态、状态跃迁以及跃迁强度等方面。通过对物质的组成、结构及内部运动规律的研究，可以解释光谱学的规律；通过对光谱学规律的研究，可以揭示物质的组成、结构及内部运动的规律。

当待测物质与辐射能发生作用时，物质内部因为量子化能级之间的跃迁会产生发射，吸收和散射等辐射能的变化，光谱学技术即是通过测量这些辐射能的变化从而进行分析的方法，是光分析的一个重要部分。常用的光谱学技术有紫外—可见光谱法、荧光光度法、红外光谱法，核磁共振光谱法、原子吸收光谱法，原子荧光光谱法，化学发光光谱法和生物发光光谱法等。光谱实验中，所有能够研究光的吸收、发射和散射的仪器被称为光谱分析仪器，一般是由光源、单色器、吸收池、光电检测器和指示仪表等五大部分组成。

理论计算

在光谱学中，将电磁波按其频率（或波长）的高低为序排列，称为电磁波谱。光波是整个电磁波谱中的一个特殊波段，其长波段与微波段相接，短波段与X射线部分重叠。电磁波与物质相互作用时产生的吸收谱或发射谱，可以用多种方式给出关于分子结构和分子与周围环境相互测量谱线的波长，可以确定原子或分子系统的能级。谱线强度正比于跃迁几率，它量度了分子跃迁的两个能级之间的耦合强度。因为跃迁几率依赖于两个能级上的波函数，强度测量可以证实被激发电子的空间电荷分布，而这只能从薛定谔方程的近似解中粗略地计算出来。利用特殊的技术，可以分辨出谱线的自然线宽，从而确定分子激发态的平均寿命。测量多普勒宽度可以给出发射或吸收光子的分子的速度分布，从而得到样品的温度。从谱线的压强展宽和压强移动中，可以得到关于碰撞过程和原子间势场的信息。

学科应用

天体观测

光谱分析

天体物理由于应用光谱分析方法而进入了新阶段。约瑟夫·冯·夫琅和费被誉为天体光谱学创始人，而英国天文学家威廉·哈金斯（William Huggins）也是天体光谱学的先驱者，他首先把光谱分析应用于恒星研究，并将照相术用于光谱研究。哈金斯用光谱学方法区分了星系和气体星云，他还用运动恒星光谱线中的多普勒频移来推断恒星运动的速度。基尔霍夫（Gustav Kirchhoff）用光谱学的方法研究了太阳光获得了大量光谱线，证实太阳是由已知的化学元素组成的。之后不久，对太阳光谱的研究让人们发现了氦元素。

印度物理学家梅格纳德·萨哈（Meghnad Saha）在1920年导出热电离方程，这一方程被广泛用于恒星光谱数据的解译，解释恒星的光谱分类。萨哈认为，恒星光谱形态与恒星温度有关。恒星温度越高，恒星中物质原子内的电子能级就越高它们会跃迁到更外侧的电子轨道上。而只要热量足够，最散逸层的电子就会逃离原子束缚而成为自由电子，留下一个带正电荷的离子，并在光谱中留下痕迹。

光谱学研究显示，恒星含有地球上都有的各种元素，包括、硅、铝和铁等。英国天文学家塞西莉亚·佩恩-加波施金，将当时最新的原子结构与量子物理理论应用于对哈佛大学光谱资料的分析，最终于1925年揭示了氢构成了太阳的主要成分，氢和氦这两种原子量最小的元素的含量要远远超越其他元素。

星系光谱

20世纪初，美国天文学家维斯托·斯里弗（Vesto Melvin Slipher）对旋涡星云光谱作过十多年的研究，对41个河外星系的光谱进行了分析，发现36个星系的谱线红移现象。

1933年，瑞士天文学家弗里茨·兹威基（Fritz Zwicky）利用光谱红移测量了后发星系团中各个星系相对于星系团的运动速度。他运用维里定理在计算后发座星系团的引力质量时，提出宇宙中存在大量“看不见的物质”，也就是现在所说的暗物质。40多年后，美国天文学家鲁宾（Vera Rubin）通过研究发现了暗物质存在的证据，她利用高精度的光谱测量技术探测到远离星系核区域的外围星体绕星系旋转速度和距离的关系，最终得到了星系中可能有大量的不可见物质的结论。

X射线天文学

美国物理学家苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡（Subrahmanyan Chandrasekhar）用量子力学方法计算了作为中介光谱型恒星大气不透明度源泉的氢负离子吸收系数。而钱德拉望远镜被认为是X射线天文学上具有里程碑意义的太空望远镜，它标志着X射线天文学从测光时代进入了光谱时代。

天体信息推断

天文学家利用光谱学可以揭示天体的丰富信息，包括天体与地球的距离、化学组成、年龄、形成历史和温度等。星系光谱中的氢—阿尔法谱线强度，特别指示了星系中年轻恒星的数量。通过比较观测到的星系光谱与地球上实验室测量的波长特征，天文学家可以确定光在到达地球过程中被拉长的程度，从而准确测量星系的距离。

探测系外行星

多普勒效应使天文学家能够探测围绕恒星的行星。当恒星因周围行星的引力扰动而发生视线方向的速度变化时，会产生光谱的红移或蓝移。瑞士科学家米歇尔·马约尔和迪迪埃·奎洛兹正是利用这一效应和高精度光谱仪，通过观察恒星飞马座51的光谱变化，发现了首颗围绕主序星的系外行星飞马座51b。这一发现为视向速度法探测系外行星提供了有力证据，开启了天文学家探索宇宙中更多未知世界的新篇章。

材料研究

识别原子种类

X射线分析技术是一种借助X射线来识别原子种类的高技术。X光机发射X射线激发样品中元素，使之发射特征X射线，测定这些特征X射线的能量和强度，可以确定是什么元素，含量多少。而轻便的放射性同位素源激发的X射线荧光仪是一个便携的、只2~3千克重的，主要用于现场无损直接激发和测量岩石、矿物中元素的特征X射线，用以确定元素及其含量。

原子结构分析

红外光谱可以研究分子的结构和化学键以及测定分子的键长和键角，利用这个可以测定如力常数、分子对称性等，并由此推测分子的立体模型。分子中的某些化学键或技能团虽然在不同化合物中，但是他们所对应的谱带波数基本上是固定的或只在小波段范围内变化，例如甲基、CH2、羰基、氰基、羟基、氨基等在红外光谱中都有特征吸收。因此通过红外光谱测定，可以判定未知样品中含有哪些有机官能团，最终可以确定未知物的化学结构。

随着当代红外光谱技术的发展，红外光谱的应用不仅能对样品进行简单的常规测试，还能推断化合物组成。红外光谱仪与其他多种测试手段联合使用衍生出许多新的分子光谱领域，例如，红外光谱仪与色谱技术联合可以认识复杂的混合物体系中各种组分的化学结构；红外光谱仪与显微镜方法相结合，形成红外成像技术，用于研究非均相体系的形态结构。

医学治疗

由于血液与组织间的密切联系，癌细胞或其它病变的特异性必然反映在血液中内环境的改变，或与癌细胞代谢有关的产物肿瘤标志物的渗入。由于这些肿瘤标志物的含量极微，一般的检测技术很难将其测出。应用光致电致发光技术使其特定分子结构发光而产生荧光，则很容易显示出血液中肿瘤标志物或其它病变标志物特征峰的存在。因为正常组织光谱峰值位置与病变组织光谱峰值位置可能不同，也可根据其荧光强度的强弱推测其含量的多少或者根据吸收光谱的方法可以测定某些元素含量，为医学诊断提供依据。

拉曼光谱是全世界广泛应用的一项分析技术。近十几年，技术的进步使得制造小断面柔顺的血管内拉曼导管成为可能。拉曼光谱导管系统已被建立并应用于人冠状动脉中，获得了整个管腔的化学浓度等值图。血管壁里的脂质及其亚型，如胆固醇和胆固醇酯，可被鉴定出来，浓度测量平均误差\u003c3%。拉曼导管系统测量的血管壁化学浓度等值图与组织学结果基本一致，尤其适用于检测薄帽的纤维粥样硬化病变。

药物开发

偏导数光谱通常比正常的零阶导数光谱包含更多的表观光谱细节。导数分光光度法是一种非常有用的分析方法，用于分离具有重叠光谱的药物混合物。此外，还成功地应用于有降解产物存在的药物的测定，以及有药物添加剂和分解产物存在的单个药物的测定。应用于药物分析的荧光技术提高了分析过程的灵敏度、选择性、准确性和快速性。例如，荧光法已被应用于直接测定恩诺沙星和氟哌啶醇。近红外光谱也可用于定量复杂基质中特定化合物的测定，例如药物制剂专业。核磁共振波谱法可用于原料药的鉴别、合成和降解过程中产生的物质的鉴别和定量，以及测定分析过程中残留溶剂。核磁共振波谱技术广泛应用于药物分析中，用于药物及其伴随杂质的鉴别。

生物研究

性别鉴定

高光谱成像可用于卵内性别测定。基于褐蛋品系中羽毛颜色的性别二型性，该技术在孵化第13天通过完整的蛋壳以高精度非损伤性检测褐雌鸡和黄白色公鸡之间的差异。该技术通过同时测量样本每个像素的辐射强度来捕获三维图像：二维代表空间信息，一维代表整个光谱的光谱信息。根据棕色产卵遗传学中使用的性别连锁金/银因子，雄性有银/白色羽毛，雌性有金/棕色羽毛，一旦第一根羽毛发出声音，就可以使用高光谱成像进行胚胎颜色性别鉴定。

呼吸气体分析

气相色谱-质谱联用技术（GC-MS）是长期以来呼吸气体分析领域最常用的手段，可对肺癌、哮喘等疾病患者的呼吸标志物实现体积分数为10-9乃至10-12量级的高精度测量。随着激光技术的发展，激光光谱技术以其高灵敏度、高选择性、实时在线分析的特点，为呼吸气体分析领域的研究提供了一种实现实时在线分析的可行性技术手段。激光穿过气体混合物时具有选择的吸收光谱，即不同的气体分子有着自己的特征吸收“指纹”，位于谱线中界限分明的位置，这使激光光谱法成为无创呼吸分析领域中非常有用的一种方法。

2011年，大连理工大学于清旭研究组采用光声光谱技术，针对肾病的呼吸标记物—氨气实现了高浓度CO2和H2O背景下的高灵敏检测。2014年，东芝公司推出了与早稻田大学联合研发的呼吸气体分析仪器。该仪器采用中红外光源及腔增强光谱技术检测呼吸气体中的丙酮，用于内分泌疾病诊断和人体代谢的研究。

文物保护

科学的检测分析是现代文物保护修复工作的必要基础和依据，无损检测技术是文物检测分析的首选方法。近红外光谱结合化学计量学新型分析技术具有测试方便、安全无损、信息丰富、定量准确、分析对象广泛等独特优势。目前该技术在文物保护领域还处于起步阶段，故宫博物院以及一些国外研究机构的文物保护学者率先将其用于书画、丝织品、玉器等的研究工作，取得了可喜的成果，一定程度上解决了一些文物无损检测方面的疑难问题，在天然材料鉴定、老化程度评估等定量信息的检测与分析方面展现了广阔的应用前景。

食品安全检测

光谱技术在食品安全与质量控制中的研究，建立了拉曼、近红外、质谱和核磁等数据库，结合化学计量学方法实现了对鸡蛋、猪肉、坚果、牛肉等食品新鲜度的无损、快速检测技术，并明确了坚果油脂氧化过程和反复冻融牛肉各类物理化学性能的变化过程；通过开发金纳米溶胶、核壳纳米、整体柱、纳米线阵列等系列表面增强拉曼光谱（SERS）材料，大幅度提高普通拉曼光谱的灵敏度，应用于食品中农兽残、抗生素、色素、非法添加物、重金属、食源性致病菌以及其它污染物的检测，其检测时间和检测限均低于传统检测方法。

针对拉曼光谱易受复杂基质的干扰，基于拉曼静默区（1800-2800cm-1）建立了氰基类农药的SERS检测方法，实现了对复杂食品中痕量有害物质的快速检测。此外，利用碳量子点（cds）荧光光谱法快速测定了食品中氯霉素和海南霉素残留量。

生态监测

通过高光谱遥感，能够同时获取观测目标的图像和光谱，实现目标空间特征与光谱特征的同步探测。其光谱分辨率高达纳米数量级，能够更为精确地区分不同地物之间的细微差别。随着高光谱遥感技术在环境监测和评价中的研究不断深入，高光谱遥感已经成为实现环境评价的重要手段之一。人们通过研究植被覆盖率、植被生长状况、土壤有机质分析、土壤酸碱度检测、水体分布、河流与湖泊的水质监测以及环境生物量分析和生物分布等方面，实现了对沙漠、矿山、盐碱地、植被与农田等生态环境的监测。这些研究进展为高光谱遥感技术未来在环境的定量评价与自动监测方面的研究提供依据。

工业过程控制

在工厂逐步提高自动化、智能化水平的背景下，工业生产过程中的传统离线分析方法正逐步被在线分析仪表所取代。在线分析仪表可以实时监测工业生产过程中影响产品质量的关键参数和属性指标，其分析结果可以指导生产装置的调节和优化，保证生产装置的安全稳定运行，提高生产效率，降低能耗和成本。近年来，在线拉曼分析仪表因其快速、无损、非接触式测量的特点得到了快速发展和广泛应用。

关联学科

天文学

用三棱镜可以将太阳光色散成七色光，这个七色光也是太阳的光谱。天文学家是用特殊的方法将星光色散成“七色光”，星光的“七色光”就是天体的光谱。其实所谓颜色是不同波长的光，天文观测上的光谱分辨率往往是远高于七个颜色的，因此天文光谱就是一个天体在不同波长处的能量。

光谱中蕴含着一个天体的许多信息，有助于天文学家研究天体形成以及宇宙起源，因此，天文光谱分析有着巨大的意义和价值。

物理学

光谱学是一门主要研究物理学及化学的重要交叉学科，光谱学的研究对现代物理具有促进作用。对物质的吸收谱和发射谱的研究可以说是原子物理的基础，对原子光谱的分立谱线特征的解释导致了旧量子力学的产生。光谱分析还是研究宇宙中化学物质的重要手段，而引力红移现象的测定则从实验上从一个侧面证实了阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论。

分析化学

分析物质的组成是近现代科学技术的重要研究内容，其代表学科就是分析化学。分析化学方法分为两大类：经典分析法和仪器分析法。在仪器分析法中，依据物质发射、吸收电磁辐射以及物质与电磁辐射的相互作用而建立的分析方法，称为光学分析法。根据是否产生能级跃迁，光学分析法又可分称光谱分析法和非光谱分析法。光谱分析方法是基于物质与辐射作用时，测量由物质内部发生的能级跃迁而产生的发射、吸收或散射辐射的波长和强度，以此来鉴别物质及确定它的化学组成和相对含量的方法。

随着光谱学的不断发展，各种新的光谱被发现，不同的光谱分析方法也相继建立，并出现相应的光谱分析仪器。光谱分析从原理上得到长期研究，理论上已经趋近于完善，光谱分析已成为现代分析化学手段最多、应用最广泛、功能最强大的分析方法之一。

前沿方向

在应用上，光谱学具有广泛的前景，对医学、环保、化工和能源研究等都有显著的影响。特别是电子和激光光谱学技术大大挖掘了光谱学的分析潜力。尽管光谱分析方法本身的局限性是对某些元素的测定还有困难、基体效应难以避免、需要大量数据进行建模、价格昂贵等，这需要通过光谱学和光谱分析技术的发展来克服；另一方面，光谱分析技术需要与更多的联用技术结合来扩大应用范围，这也是未来光谱学领域发展的一个方向。例如便携式光谱仪、高光谱遥感技术和超快光谱学的发展，不仅提升了现场材料分析、物质成分识别和瞬态现象探测的能力，还拓展了光谱学在工业、环境监测、医学和基础科学研究等多个领域的应用。

便携式光谱仪

随着生产的发展，对金属来料、设备材质、金属废料的现场检测分析的需求日益深入，为了保证所采购和使用材料的正确性，现场金属材料分析变得越来越重要，应用的场合越来越多，人们对便携式光谱仪的需求也逐渐增加。便携式光谱仪是在实验室用光谱仪的基础上研制而成的小型化光谱仪，既可在实验室用又可满足现场分析需要，而且在现场条件下仍保持很高的测量精度。便携式光谱仪的应用领域已经涉及钢铁、机械、航空航天、船舶、汽车、电力、石化、锅炉和压力容器等领域。

高光谱遥感技术

光谱分析是人类借助光认知世界的重要方式。如果说肉眼光学成像能看到物质的形状、尺寸等信息，光谱分析则能获取物质的成分信息。高光谱遥感实际上是一种简称，它的全称叫“高光谱分辨率遥感”。它不像多光谱遥感中根据颜色的差异来分辨目标，而是根据谱段光谱曲线的形态来分析目标是什么。

高光谱遥感能在可见光到短波红外范围内连续光谱成像，不仅光谱探测范围超过了肉眼的感知，还能连续记录数百个光谱波段。因此，用肉眼甚至普通的光学遥感不能识别的地面物体，这项技术都能够更好地分辨出其内在的物理、化学特性，甚至是物质的分子和原子结构。主要用于军事、农业生产管理、地质学等领域，在医学、生物、刑侦、考古、文物保护等领域也有广泛的探索性应用。

超快光谱学

超快光谱分析技术是理解物质组成、分子演化和动力学的重要工具，涉及领域包括物理、化学和生物医学等基础科学，以及气体示踪和泄漏预警等应用科学。随着飞秒激光的出现，光谱学的探测速度不断被刷新。飞秒时域拉伸技术将记录的瞬时现象展开到时域，降低了超快探测中的采样速度要求，在超快成像、测距、单发脉冲光谱探测、非重复和罕见信号探测等领域发挥了重要作用。

超快光谱方法因其特有的极高时间分辨率、Fermi面以上电子激发态探测、全波长宽谱能量范围的相互作用、相干态和集体激发态的产生和探测、表面界面对称破缺的探测等优势在凝聚态物理特别是关联量子材料的研究中有重要的应用，主要用于研究常压下的凝聚态物性，人们利用该方法已在高温超导机理、复杂相变、多自由度耦合、激光相干调控、诱导新奇量子态等方面取得了很多重要研究成果。

参考资料

萨哈公式.中国大百科全书.2024-05-12

引力透镜.中国大百科全书.2024-05-12

钱德拉塞卡极限.中国大百科全书.2024-05-12

讲解员:用光谱学的眼睛观测宇宙.中国科学技术馆.2024-03-27

解读2019年诺贝尔物理学奖之系外行星发现.江苏省天文协会.2024-03-27

蛋鸡胚胎性别机械鉴别. 中国畜牧业协会家禽业.2024-03-27

谢云飞教授：光谱技术在食品安全与质量控制中的应用.食品科学网.2024-03-27

中国“慧眼”仰望星空.中国科学院.2024-03-07

【北京日报】高光谱遥感就是“火眼金睛”.中国科学院.2024-03-07

压力诱导的声子瓶颈效应研究获进展.中国科学院.2024-03-07