光譜分類：按物質(zhì)和光的作用方可分為三類

①發(fā)射光譜學(xué)：利用原子或分子的發(fā)射光譜進(jìn)行研究。每種原子和分子都有特定的能級(jí)結(jié)構(gòu)和光譜系列，通過(guò)對(duì)發(fā)射光譜的研究可得到關(guān)于原子和分子能級(jí)結(jié)構(gòu)的許多知識(shí)、測(cè)定各種重要常數(shù)以及進(jìn)行化學(xué)元素的定性和定量分析等。

②吸收光譜學(xué)：分子或原子團(tuán)在各個(gè)波段均有特征吸收，主要表現(xiàn)為分子光譜所特有的帶狀吸收譜。廣泛被采用的紅外吸收光譜是由分子的同一電子態(tài)內(nèi)不同振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)間的躍遷產(chǎn)生。紅外吸收光譜主要用來(lái)研究分子的能級(jí)結(jié)構(gòu)和分子結(jié)構(gòu)，或進(jìn)行分子的定性和定量分析等。對(duì)吸收光譜和發(fā)射光譜的研究?；檠a(bǔ)充。

③拉曼光譜學(xué)：在拉曼散射中，拉曼譜線起源于散射物質(zhì)分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，反映了分子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)，通過(guò)拉曼光譜可對(duì)化合物進(jìn)行定性和定量分析、測(cè)定分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)頻率及有關(guān)常數(shù)、了解分子內(nèi)部或分子間的作用力、推斷分子結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性和幾何形狀等。拉曼光譜的應(yīng)用范圍遍及物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)的許多領(lǐng)域。新型光源激光的應(yīng)用有力地推動(dòng)了拉曼光譜學(xué)的發(fā)展。

按光源的不同分為，可分為以下兩類：

①激光光譜學(xué)以激光為光源的光譜學(xué)分支。激光的譜線寬度窄、強(qiáng)度高和方向性好等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)給光譜學(xué)帶來(lái)了全新的面貌，它不僅具有極高的光譜分辨率和探測(cè)靈敏度，而且還開拓了包括非線性效應(yīng)和相干拉曼光譜學(xué)等在內(nèi)的許多新領(lǐng)域。

②非激光光譜學(xué)

內(nèi)容發(fā)射光譜學(xué) 物體發(fā)光直接產(chǎn)生的光譜叫做發(fā)射光譜 。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?，F(xiàn)代觀測(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。

研究發(fā)射光譜的學(xué)問(wèn)是發(fā)射光譜學(xué)。

處于高能級(jí)的原子或分子在向較低能級(jí)躍遷時(shí)產(chǎn)生輻射，將多余的能量發(fā)射出去形成的光譜.要使原子或分子處于較高能級(jí)就要供給它能量這叫激發(fā).被激發(fā)的處于較高能級(jí)的原子、分子向低能級(jí)躍遷放出頻率為n的光子在原子光譜的研究中多采用發(fā)射光譜，例如氫原子處在正常狀態(tài)時(shí)電子是在離核最近的n=1的可能軌道上運(yùn)動(dòng)，這時(shí)它的能量最少也比較穩(wěn)定。當(dāng)原子受到外界因素的激發(fā)時(shí)電子吸收一定的能量而躍入其他能量較高的可能軌道上去，這時(shí)電子不穩(wěn)定.它能自發(fā)地跳躍到較低能級(jí)的可能軌道上并發(fā)出一個(gè)光子，從不同的能量較高的可能軌道上跳躍到同一能量較低的可能軌道上來(lái)時(shí)所發(fā)出的譜線卻屬于同一線系，若電子從3、4、5、6……等可能軌道上跳躍到n=2的可能軌道上時(shí)所發(fā)出的譜線都屬于巴爾末線系.大量處于激發(fā)態(tài)的原子會(huì)發(fā)出各不相同的譜線組成了氫原子光譜的全部譜線，由于產(chǎn)生的情況不同，發(fā)射光譜又可分為連續(xù)光譜和明線光譜。

(1)稀薄氣體發(fā)光是由不連續(xù)的亮線組成，這種發(fā)射光譜又叫做明線光譜,原子產(chǎn)生的明線光譜也叫做原子光譜。

(2)固體或液體及高壓氣體的發(fā)射光譜，是由連續(xù)分布的波長(zhǎng)的光組成的，這種光譜做連續(xù)光譜。例如電燈絲發(fā)出的光、熾熱的鋼水發(fā)出的光都形成連續(xù)光譜。

吸收光譜學(xué)

當(dāng)一束具有連續(xù)波長(zhǎng)的光通過(guò)一種物質(zhì)時(shí)，光束中的某些成分便會(huì)有所減弱，當(dāng)經(jīng)過(guò)物質(zhì)而被吸收的光束由光譜儀展成光譜時(shí)，就得到該物質(zhì)的吸收光譜。幾乎所有物質(zhì)都有其獨(dú)特的吸收光譜。原子的吸收光譜所給出的有關(guān)能級(jí)結(jié)構(gòu)的知識(shí)同發(fā)射光譜所給出的是互為補(bǔ)充的。

一般來(lái)說(shuō)，吸收光譜學(xué)所研究的是物質(zhì)吸收了那些波長(zhǎng)的光，吸收的程度如何，為什么會(huì)有吸收等問(wèn)題。研究的對(duì)象基本上為分子。吸收光譜的光譜范圍是很廣闊的，大約從10nm到1000μm。在200nm到800nm的光譜范圍內(nèi)，可以觀測(cè)到固體、液體和溶液的吸收，這些吸收有的是連續(xù)的，稱為一般吸收光譜;有的顯示出一個(gè)或多個(gè)吸收帶，稱為選擇吸收光譜。所有這些光譜都是由于分子的電子態(tài)的變化而產(chǎn)生的。

選擇吸收光譜在有機(jī)化學(xué)中有廣泛的應(yīng)用，包括對(duì)化合物的鑒定、化學(xué)過(guò)程的控制、分子結(jié)構(gòu)的確定、定性和定量化學(xué)分析等。

分子的紅外吸收光譜一般是研究分子的振動(dòng)光譜與轉(zhuǎn)動(dòng)光譜的，其中分子振動(dòng)光譜一直是主要的研究課題。分子振動(dòng)光譜的研究表明，許多振動(dòng)頻率基本上是分子內(nèi)部的某些很小的原子團(tuán)的振動(dòng)頻率，并且這些頻率就是這些原子團(tuán)的特征，而不管分子的其余的成分如何。這很像可見(jiàn)光區(qū)域色基的吸收光譜，這一事實(shí)在分子紅外吸收光譜的應(yīng)用中是很重要的。多年來(lái)都用來(lái)研究多原子分子結(jié)構(gòu)、分子的定量及定性分析等。在散射光譜學(xué)中，拉曼光譜學(xué)是最為普遍的光譜學(xué)技術(shù)。當(dāng)光通過(guò)物質(zhì)時(shí)，除了光的透射和光的吸收外，還觀測(cè)到光的散射。在散射光中除了包括原來(lái)的入射光的頻率外(瑞利散射和廷德耳散射)，還包括一些新的頻率。這種產(chǎn)生新頻率的散射稱為喇曼散射，其光譜稱為拉曼光譜。

拉曼散射的強(qiáng)度是極小的，大約為瑞利散射的千分之一。拉曼頻率及強(qiáng)度、偏振等標(biāo)志著散射物質(zhì)的性質(zhì)。從這些資料可以導(dǎo)出物質(zhì)結(jié)構(gòu)及物質(zhì)組成成分的知識(shí)。這就是拉曼光譜具有廣泛應(yīng)用的原因。由于拉曼散射非常弱，所以一直到1928年才被印度物理學(xué)家拉曼等所發(fā)現(xiàn)。他們?cè)谟霉療舻膯紊鈦?lái)照射某些液體時(shí)，在液體的散射光中觀測(cè)到了頻率低于入射光頻率的新譜線。在拉曼等人宣布了他們的發(fā)現(xiàn)的幾個(gè)月后，蘇聯(lián)物理學(xué)家蘭茨見(jiàn)格等也獨(dú)立地報(bào)道了晶體中的這種效應(yīng)的存在。

拉曼效應(yīng)起源于分子振動(dòng)(和點(diǎn)陣振動(dòng))與轉(zhuǎn)動(dòng)，因此從拉曼光譜中可以得到分子振動(dòng)能級(jí)(點(diǎn)陣振動(dòng)能級(jí))與轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)結(jié)構(gòu)的知識(shí)。拉曼散射強(qiáng)度是十分微弱的，在激光器出現(xiàn)之前，為了得到一幅完善的光譜，往往很費(fèi)時(shí)間。自從激光器得到發(fā)展以后，利用激光器作為激發(fā)光源，拉曼光譜學(xué)技術(shù)發(fā)生了很大的變革。激光器輸出的激光具有很好的單色性、方向性，且強(qiáng)度很大，因而它們成為獲得拉曼光譜的近乎理想的光源，特別是連續(xù)波氬離子激光器與氨離子激光器。于是拉曼光譜學(xué)的研究又變得非常活躍了，其研究范圍也有了很大的擴(kuò)展。除擴(kuò)大了所研究的物質(zhì)的品種以外，在研究燃燒過(guò)程、探測(cè)環(huán)境污染、分析各種材料等方面拉曼光譜技術(shù)也已成為很有用的工具。

束箔光譜學(xué)

束箔光譜學(xué)是21世紀(jì)國(guó)際上發(fā)展起來(lái)的一門新興學(xué)科。主要內(nèi)容是，用被加速的離子撞擊不同元素的薄箔的方法研究基礎(chǔ)原子物理學(xué)、測(cè)量電子能級(jí)的平均壽命。

現(xiàn)代國(guó)際上已有很多人將加速器改裝用來(lái)研究束箔問(wèn)題。能量在102～103eV范圍的束箔實(shí)驗(yàn)可以揭示被加速的元素低電離的電子特性，高達(dá)8～10MeV/核子的范圍可以產(chǎn)生高Z的單電子和雙電子系統(tǒng)的躍遷，這種躍遷可靈敏地檢驗(yàn)量子電動(dòng)力學(xué)。束箔技術(shù)應(yīng)用于天體物理問(wèn)題上，可以對(duì)日冕的性質(zhì)以及銀河系中元素的豐度得到很好的理解。從事原子物理學(xué)、光譜學(xué)、天體物理學(xué)等研究工作的實(shí)驗(yàn)學(xué)家和理論學(xué)家閱讀本書會(huì)獲得很多原子系統(tǒng)的豐富信息。大學(xué)物理系的師生和研究生閱讀本書，亦會(huì)受益。

光聲光譜學(xué)

以光聲效應(yīng)為基礎(chǔ)的一種新型光譜分析檢測(cè)技術(shù)。用一束強(qiáng)度可調(diào)制的單色光照射到密封于光聲池中的樣品上，樣品吸收光能，并以釋放熱能的方式退激，釋放的熱能使樣品和周圍介質(zhì)按光的調(diào)制頻率產(chǎn)生周期性加熱，從而導(dǎo)致介質(zhì)產(chǎn)生周期性壓力波動(dòng)，這種壓力波動(dòng)可用靈敏的微音器或壓電陶瓷傳聲器檢測(cè)，并通過(guò)放大得到光聲信號(hào)，這就是光聲效應(yīng)。

若入射單色光波長(zhǎng)可變，則可測(cè)到隨波長(zhǎng)而變的光聲信號(hào)圖譜，這就是光聲光譜。若入射光是聚焦而成的細(xì)束光并按樣品的x-y軸掃描方式移動(dòng)，則能記錄到光聲信號(hào)隨樣品位置的變化，這就是光聲成像技術(shù)。入射光為強(qiáng)度經(jīng)過(guò)調(diào)制的單色光，光強(qiáng)度調(diào)制可用切光器。光聲池是一封閉容器，內(nèi)放樣品和傳聲器。固體樣品，樣品周圍充以不吸收光輻射的氣體介質(zhì)，如空氣。若是液體或氣體樣品，則用樣品充滿光聲池。傳聲器應(yīng)很靈敏，對(duì)于氣體樣品，電容型駐極體傳聲器比較適宜，它配以電子檢測(cè)系統(tǒng)可測(cè)10-6℃的溫升或10-9J/(cm3·s)的熱量輸入。對(duì)于液體和固體樣品，最好采用與樣品緊密接觸的壓電陶瓷檢測(cè)器。由于光聲光譜測(cè)量的是樣品吸收光能的大小，因而反射光、散射光等對(duì)測(cè)量干擾很小，故光聲光譜適于測(cè)量高散射樣品、不透光樣品、吸收光強(qiáng)與入射光強(qiáng)比值很小的弱吸收樣品和低濃度樣品等，而且樣品無(wú)論是晶體、粉末、膠體等均可測(cè)量，這是普通光譜做不到的。光聲效應(yīng)與調(diào)制頻率有關(guān)，改變調(diào)制頻率可獲得樣品表面不同深度的信息，所以它是提供表面不同深度結(jié)構(gòu)信息的無(wú)損探測(cè)方法。

光聲光譜學(xué)是光譜技術(shù)與量熱技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，是20世紀(jì)70年代初發(fā)展起來(lái)的檢測(cè)物質(zhì)和研究物質(zhì)性能的新方法。光聲技術(shù)在不斷發(fā)展，已出現(xiàn)適用于氣體分析的二氧化碳激光光源紅外光聲光譜儀，適用于固體和液體分析的氙燈紫外-可見(jiàn)光聲光譜儀，以及傅里葉變換光聲光譜儀。光熱偏轉(zhuǎn)光譜法、光聲拉曼光譜法、光聲顯微鏡、激光熱透鏡法及熱波成像技術(shù)都在迅速發(fā)展。光聲光譜技術(shù)在物理、化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、地質(zhì)學(xué)和材料科學(xué)等方面得到廣泛應(yīng)用。

偏振光譜學(xué)

消除多普勒效應(yīng)的另一種方法是偏振光譜學(xué)技術(shù)。

這種技術(shù)的特點(diǎn)是，測(cè)量光的偏振的微小變化比測(cè)量強(qiáng)度的變化要容易得多，因而測(cè)量的靈敏度可以明顯地提高。如同在飽和光譜學(xué)中那樣，從激光器出射的光束也分為兩束，其中一個(gè)比另一個(gè)要強(qiáng)得多，并且也是以相反方向通過(guò)所研究的樣品的。但是，在偏振光譜學(xué)中，弱的測(cè)試光束是線偏振的并且通過(guò)放在交叉偏振器之間的氣體樣品。如果測(cè)試光束在通過(guò)樣品時(shí)不改變它的偏振情況，是不會(huì)到達(dá)探測(cè)器的。但是飽和光束卻能引起這種改變。因?yàn)楫?dāng)它首先通過(guò)四分之一波片時(shí)，它就變?yōu)閳A偏振光了。圓偏振光的電場(chǎng)方向是轉(zhuǎn)動(dòng)的，或是順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)或是逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。原子吸收?qǐng)A偏振光的幾率依賴于原子的角動(dòng)量的取向。初始原子的取向是無(wú)規(guī)的，但當(dāng)某些原子的取向能夠吸收一種圓偏振光后，飽和光束便使得這些原子所處的原子能級(jí)變空了，而具有相反角動(dòng)量取向的原子相對(duì)變多了。當(dāng)線偏振的測(cè)試光束通過(guò)氣體的同一區(qū)域時(shí)，取向的原子便會(huì)改變測(cè)試光束的傳播。

這個(gè)原因是容易理解的。線偏振光可以看作是強(qiáng)度相等的兩種圓偏振光的疊加，一種圓偏振光的電場(chǎng)沿著順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，另一種圓偏振光的電場(chǎng)沿著逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)測(cè)試光束通過(guò)氣體時(shí)，它碰到的原子會(huì)過(guò)多地吸收一種圓偏振的光，因?yàn)檫@些原子相對(duì)的數(shù)目是多的。其結(jié)果是一種圓偏振光的強(qiáng)度有所減弱，而另一種則相對(duì)地變強(qiáng)。因此，從氣體樣品中出來(lái)的測(cè)試光束不再是線偏振的，而變?yōu)闄E圓偏振光了。

這樣，測(cè)試光束就有了一個(gè)分量能夠通過(guò)交叉的偏振器。但是，所有這些情況的發(fā)生必須是飽和光束與測(cè)試光束作用于相同原子上，即無(wú)多普勒移位的原子上。在這方面偏振光譜學(xué)同飽和光譜學(xué)是一樣的，事實(shí)上，偏振光譜學(xué)是從飽和光譜學(xué)中派生出來(lái)的。這種光譜學(xué)技術(shù)的最大特點(diǎn)是基本上沒(méi)有噪聲，利用這種技術(shù)可以得到更為精密的能級(jí)結(jié)構(gòu)知識(shí)，例如，測(cè)量結(jié)果把里德伯常數(shù)值的精度提高了三倍，而使之成為最精確的已知基本常數(shù)。

雙光子光譜學(xué)

也是消除光譜線多普勒增寬的一種好方法。這種技術(shù)于1974年首先見(jiàn)諸報(bào)道。在這種技術(shù)中，一束光由反射鏡沿著原路線反射回去，從而它們沿著相同的光軸向相反方向傳播，疊加后成為駐波。氣體樣品便放置在駐波場(chǎng)中。如果把激光光束的頻率調(diào)到所選定的原子躍遷頻率的一半時(shí)，在一定的條件下，同光束發(fā)生相互作用的每一個(gè)原子會(huì)同時(shí)地從兩個(gè)相反方向傳播的光束中各吸收一個(gè)光子。設(shè)想在駐波場(chǎng)中沿著光軸方向運(yùn)動(dòng)著的一個(gè)原子在吸收從相反方向來(lái)的兩個(gè)光子時(shí)，光子之一的多普勒移位是朝著紫光方向的，也就是說(shuō)具有較高的頻率，而另一個(gè)光子的多普勒移位則是朝著紅光方向的，移位的大小同前一個(gè)光子的相等。

所以，兩個(gè)被吸收的光子的總能量為常數(shù)，而不管原子的運(yùn)動(dòng)速度如何。因此，雙光子吸收便抵消了原子運(yùn)動(dòng)的多普勒效應(yīng)，原子吸收的光頻率之和恰好為原子躍遷頻率。如果激光器的輸出頻率稍稍偏離于原子躍遷頻率的一半時(shí)，原子便不會(huì)吸收兩個(gè)相反方向的光子。因此，消除譜線多普勒增寬的效果是不佳的。即只有當(dāng)激光頻率同原子躍遷頻率相匹配時(shí)，才能有效地消除多普勒增寬。

在雙光子吸收光譜學(xué)中，所有同激光光束發(fā)生相互作用的原子都能對(duì)無(wú)多普勒效應(yīng)的信號(hào)作出貢獻(xiàn)，而不僅限于垂直光軸方向運(yùn)動(dòng)的原子，因此無(wú)多普勒效應(yīng)的信號(hào)是很強(qiáng)的。這同飽和光譜學(xué)和偏振光譜學(xué)不同。在這兩種光譜中，沒(méi)有多普勒效應(yīng)的原子是有選擇的，原子的運(yùn)動(dòng)要垂直于光軸;而在雙光子吸收光譜學(xué)中，凡是同光束發(fā)生相互作用的原子都可消除其多普勒效應(yīng)。隨著科技的進(jìn)展，光譜學(xué)所涉及的電磁波波段越來(lái)越寬廣，從波長(zhǎng)處于皮米級(jí)的γ射線，到X射線，紫外線，可見(jiàn)光區(qū)域，紅外線，微波，再到波長(zhǎng)可達(dá)幾公里的無(wú)線電波，都有其與物質(zhì)作用的特征形式。按照光與物質(zhì)的作用形式，光譜一般可分為吸收光譜、發(fā)射光譜、散射光譜等。

通過(guò)光譜學(xué)研究，人們可以解析原子與分子的能級(jí)與幾何結(jié)構(gòu)、特定化學(xué)過(guò)程的反應(yīng)速率、某物質(zhì)在太空中特定區(qū)域的濃度分布等多方面的微觀與宏觀性質(zhì)。人們也可以利用物質(zhì)的特定組成結(jié)構(gòu)來(lái)產(chǎn)生具有特殊光學(xué)性質(zhì)的光譜，例如特定頻率的激光。光譜學(xué)并不僅是一門基礎(chǔ)科學(xué)，在日常應(yīng)用中它也是一種重要的定性、定量測(cè)量方法，例如水質(zhì)中各項(xiàng)物質(zhì)含量的分析、通過(guò)分析血液中蛋白質(zhì)的含量進(jìn)行疾病預(yù)防與監(jiān)測(cè)、使用最優(yōu)波段進(jìn)行光纖通訊等。自上世紀(jì)中葉激光被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，人類對(duì)于光的控制達(dá)到了新的階段，可以產(chǎn)生具有前所未有的亮度、頻率分布以及時(shí)間分辨率的電磁輻射，開啟了通向非線性光學(xué)與非線性光譜學(xué)的大門，使得光譜學(xué)處于高速發(fā)展的嶄新時(shí)期。