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光譜儀 是什么?

2025-4-29  閱讀(573)

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以下是關于光譜儀的詳細介紹:

定義與發展歷程

  • 定義:光譜儀,又稱分光儀、光譜分析儀、光學分光計,是將成分復雜的復合光分解為光譜線進行測量和計算的光學儀器,主要用于測定光的波長、頻率、強度、輪廓、寬度及其變化規律等。

  • 發展歷程:1666 年,牛頓在玻璃三棱鏡分光實驗中發現太陽光譜。1814 年,夫瑯禾費設計制成分光裝置。1859 年末,克希霍夫與本生制成第一臺結構完整的光譜分析儀器。此后,光譜儀不斷發展,1918 年美國研制出紫外 - 可見光分光設備,1928 年德國蔡司廠推出第一臺商品化攝譜儀,1944 年出現光電法代替攝譜法等,逐漸進入自動化、光電化階段。中國的光譜儀發展始于 1949 年后,現已建立起完善的研究、設計、生產體系。

工作原理

  • 基本原理:應用光學原理,通過光源和照明系統提供光,準直系統將光變為平行光,色散系統把復合光分解為光譜,聚焦成像系統將色散后的光會聚或成像在焦平面上,檢測記錄和顯示系統測量和記錄光譜的相關信息,從而對物質的結構和成分等進行測量、分析和處理。

  • 光譜分析原理:不同元素的原子具有特定的能級結構,當原子受到能量激發時,外層電子從基態躍遷到激發態,處于激發態的原子不穩定,會躍遷回基態或較低能級,同時釋放出特定波長的電磁波,形成特征光譜線。通過識別這些特征光譜線可進行元素的定性分析,依據譜線強度可進行定量分析。

基本組成

  • 光源和照明系統:在研究發射光譜時,光源發生器如氣體火焰等激發試樣獲得光譜;研究吸收、喇曼、熒光光譜時,光源用于照射或激發被研究物質。照明系統則盡可能會聚光源輻射的光能量,并傳遞給儀器。

  • 準直系統:一般由入射狹縫和準直物鏡組成,入射狹縫成為實際光源,限制進入儀器的光束,其位于準直物鏡焦平面上,使發出的光束經準直物鏡后成為平行光投向色散系統。

  • 色散系統:將入射的復合光分解為光譜,主要有物質色散(如光譜棱鏡)、多縫衍射(如光柵)、多光束干涉(如法布里 - 珀涉儀)三類作用原理。

  • 聚焦成像系統:把空間上色散開的各波長光束會聚或成像在像物鏡的焦平面上,形成分立的線狀光譜、小波段范圍連續的帶狀光譜或大范圍內連續的連續光譜。

  • 檢測記錄和顯示系統:接受各光譜元的信號,測量其波長、強度等組成,并記錄和顯示成為光譜圖,接收系統包括目視接受系統、感光材料接受系統和光電探測系統。


應用領域

  • 科研領域:在物理、化學、天文學等學科中,用于研究物質的結構、特性和相互作用,如分析原子、分子的能級結構,研究天體的化學成分和物理狀態等。

  • 工業領域:在冶金行業可分析金屬材料的成分;石油化工行業用于油品質量檢測、化工原料分析等;電子工業中可檢測半導體材料的特性、鍍膜厚度等。

  • 環境監測:用于檢測空氣中的污染物成分、水質中的重金屬含量、土壤中的有害物質等,為環境保護和治理提供依據。

  • 生物醫學領域:可用于血液、尿液等生物樣本的成分分析,疾病診斷,藥物研發過程中的成分鑒定和質量控制等。

  • 農業領域:可分析土壤養分、農作物的化學成分,幫助優化施肥方案、監測農作物生長狀況和品質等


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