光譜學(xué)是光學(xué)的一個(gè)分支學(xué)科，它主要研究各種物質(zhì)的光譜的產(chǎn)生及其同物質(zhì)之間的相互作用。光譜是電磁輻射按照波長(zhǎng)的有序排列，根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件的不同，各個(gè)輻射波長(zhǎng)都具有各自的特征強(qiáng)度。
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。
光譜學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史
光譜學(xué)的研究已有一百多年的歷史了。1666年，牛頓把通過玻璃棱鏡的太陽(yáng)光分解成了從紅光到紫光的各種顏色的光譜，他發(fā)現(xiàn)白光是由各種顏色的光組成的。這是可算是最早對(duì)光譜的研究。
其后一直到1802年，渥拉斯頓觀察到了光譜線，其后在1814年夫瑯和費(fèi)也獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)它。牛頓之所以沒有能觀察到光譜線，是因?yàn)樗�使太�?yáng)光通過了圓孔而不是通過狹縫。在1814～1815年之間，夫瑯和費(fèi)公布了太陽(yáng)光譜中的許多條暗線，并以字母來命名，其中有些命名沿用至今。此后便把這些線稱為夫瑯和費(fèi)暗線。
實(shí)用光譜學(xué)是由基爾霍夫與本生在19世紀(jì)60年代發(fā)展起來的；他們證明光譜學(xué)可以用作定性化學(xué)分析的新方法，并利用這種方法發(fā)現(xiàn)了幾種當(dāng)時(shí)還未知的元素，并且證明了太陽(yáng)里也存在著多種已知的元素。
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)家巴耳末找到一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式來說明已知的氫原子諾線的位置，此后便把這一組線稱為巴耳末系。繼巴耳末的成就之后，188 9年，瑞典光譜學(xué)家里德伯發(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。
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，即使對(duì)于氫原子光譜的進(jìn)一步的解釋也遇到了困難。
能夠滿意地解釋光譜線的成因的是20世紀(jì)發(fā)展起來的量子力學(xué)。電子不僅具有軌道角動(dòng)量，而且還具有自旋角動(dòng)量。這兩種角動(dòng)量的結(jié)合便成功地解釋了光譜線的分裂現(xiàn)象。
電子自旋的概念首先是在1925年由烏倫貝克和古茲密特作為假設(shè)而引入的，以便解釋堿金屬原子光譜的測(cè)量結(jié)果。在狄喇克的相對(duì)論性量子力學(xué)中，電子自旋(包括質(zhì)子自旋與中子自旋)的概念有了牢固的理論基礎(chǔ)，它成了基本方程的自然結(jié)果而不是作為一種特別的假設(shè)了。
1896年，塞曼把光源放在磁場(chǎng)中來觀察磁場(chǎng)對(duì)光三重線，發(fā)現(xiàn)這些譜線都是偏振的。現(xiàn)在把這種現(xiàn)象稱為塞曼效應(yīng)。次年，洛倫茲對(duì)于這個(gè)效應(yīng)作了滿意的解釋。
塞曼效應(yīng)不僅在理論上具有重要意義，而且在應(yīng)用中也是重要的。在復(fù)雜光譜的分類中，塞曼效應(yīng)是一種很有用的方法，它有效地幫助了人們對(duì)于復(fù)雜光譜的理解。
光譜學(xué)的內(nèi)容
根據(jù)研究光譜方法的不同，習(xí)慣上把光譜學(xué)區(qū)分為發(fā)射光譜學(xué)、吸收光譜學(xué)與散射光譜學(xué)。這些不同種類的光譜學(xué)，從不同方面提供物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)知識(shí)及不同的化學(xué)分析方法。
發(fā)射光譜可以區(qū)分為三種不同類別的光譜：線狀光譜、帶狀光譜和連續(xù)光譜。線狀光譜主要產(chǎn)生于原子，帶狀光譜主要產(chǎn)生于分子，連續(xù)光譜則主要產(chǎn)生于白熾的固體或氣體放電。
現(xiàn)在觀測(cè)到的原子發(fā)射的光譜線已有百萬(wàn)條了。每種原子都有其獨(dú)特的光譜，猶如人的指紋一樣是各不相同的。根據(jù)光譜學(xué)的理論，每種原子都有其自身的一系列分立的能態(tài)，每一能態(tài)都有一定的能量。
我們把氫原子光譜的最小能量定為最低能量，這個(gè)能態(tài)稱為基態(tài)，相應(yīng)的能級(jí)稱為基能級(jí)。當(dāng)原子以某種方法從基態(tài)被提升到較高的能態(tài)上時(shí)，原子的內(nèi)部能量增加了，原子就會(huì)把這種多余的能量以光的形式發(fā)射出來，于是產(chǎn)生了原子的發(fā)射光譜，反之就產(chǎn)生吸收光譜。這種原子能態(tài)的變化不是連續(xù)的，而是量子性的，我們稱之為原子能級(jí)之間的躍遷。