材料光譜分析系列

今後幾期，我將較為詳細得向大家介紹材料光譜分析的相關知識點，光譜分析作為材料研究領域中極為重要的分析測試手段，是考研複試的常考點及重點難點，因此大家需要在原理上對其有較好的掌握，這一期我便分享一些基礎性知識，為後續內容做出鋪墊。

1

光譜分析理論基礎

光通常指人類眼睛可以看見的一種電磁波， 也稱可見光譜， 在科學上的定義， 光是指從γ射線～無線電波範圍所有的電磁波。

而光分析法則是探究電磁輻射能量與待測物質相互作用後所產生的電磁輻射信號與材料組成及結構之間關係的一類分析方法，光分析方法具有三個基本過程：①激發源提供激發能量；②激發能與被測物之間發生相互作用；③ 產生（光波） 電磁輻射信號。

當電磁輻射與材料表面發生接觸時，將會產生一系列相互作用，具體效應如下圖所示（該圖要求記憶，是考察重點）：

熟練掌握電磁輻射與物體表面的作用過程是理解光譜分析儀器測試原理以及準確運用該分析方法解決問題的關鍵，接下來我們便從原理出發，來理解這一過程。

2

電磁輻射與材料的相互作用

上圖的電磁波譜包括了所有類型的電磁波，對於此波譜，只需要大致了解電磁波的分類以及它們之間波長與能量的相對大小即可，需要知道：波長越長，對應光子能量越低。

電磁輻射與材料相互接觸之時，會產生輻射的吸收、發射以及散射等現象，接下來我便一一進行介紹。

2.1

電磁輻射的吸收

輻射的吸收是指輻射通過物質時，其中具有一定頻率的電磁波被組成物質的粒子（原子、離子或分子）選擇性吸收的過程，這一過程會造成電磁波能量的損失。

我們可以較為容易地理解這一現象：當電磁波的一部分能量恰巧等於物質中某一元素的能級差之時，其與物質相接觸時便會使得物質粒子發生由低能級向高能級的躍遷，選擇性吸收的光子能量應該等於躍遷前後的兩個能級之差，人們根據此現象最終繪製出了吸收光譜，用於材料的成分分析，這在之後會有詳細介紹。

2.2

電磁輻射的發射

當物質吸收電磁輻射之後，在一定時間之後又會發射出相應電磁波，這便是輻射的發射現象。輻射發射的實質在於輻射躍遷，即當物質粒子吸收能量被激發至高能態後，由於該狀態屬於不穩定狀態，因此經過極為短暫的時間後，電子將從高能態再次返回低能態，多餘的能量以電磁輻射的形式釋放出來。

由電磁輻射激發所導致的二次發光現象又稱為光致發光，受激後產生的二次光子可分為兩類：熒光和磷光，熒光的弛豫時間（吸收一次光子到發射二次光子之間的時間差）很短（10^-8~10^-4s），而磷光的弛豫時間則較長（10^-4~10s），二者產生的機理有所差別，該差別不作為重點，了解即可。

根據輻射的發射現象，可以繪製出發射光譜以探究物質的成分，在之後也會詳細介紹。

2.3

電磁輻射的散射

輻射的散射是指電磁輻射與物質發生相互作用後部分偏離原入射方向而分散傳播的現象，其大致可以分為分子散射和電子散射。

分子散射是入射線與分子或分子聚集體之間相互作用而產生的散射，可分為瑞利散射（入射線光子與分子間發生彈性相互作用，光子運動方向改變而能量未變時）和拉曼散射（入射線光子與分子間發生非彈性相互作用，光子運動方向及能量均有變化），二者在之後的光譜分析中也有不同用處，其分類及原理需要牢記。

入射線光子與電子之間發生相互作用產生的散射稱為電子散射，可分為相干散射（光子與原子內受束縛較緊的內層電子發生作用，方向變化而能量未變）和非相干散射（也稱康普頓效應，發生在光子與原子外層電子之間，光子的能量和傳播方向均發生變化）。

———— / END / ————

到此，光譜分析的基本知識點便介紹完畢，這些知識點是之後吸收光譜、發射光譜、拉曼光譜及紅外光譜等測試方法的基礎，對其做到熟練掌握，不管是對來年的考研複試，還是對今後的科研訓練，均有很大的幫助。

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