高中化学/光与原子光谱
我们现在知道，光可以根据情况表现为波或粒子。但是，你可能会想知道，为什么化学教科书会浪费一整个章节来谈论光。光，像物质一样，是宇宙的一部分，但化学家并不负责研究整个宇宙。化学家负责研究化学物质。光与化学物质有什么关系？为什么化学家需要了解光？
事实证明，科学家可以通过观察化学物质如何与光相互作用来了解很多关于化学物质的信息。不同的化学物质在被光束照射时表现不同。事实上，相同的化学物质会对不同颜色的光束产生不同的相互作用。但是，为了理解光可以告诉我们关于不同化学物质的信息，我们必须首先更仔细地观察电磁频谱。
- 区分连续光谱和不连续光谱。
- 认识到白光实际上是所有可能的波长的光组成的连续光谱。
- 认识到所有元素都有独特的原子光谱。
如果你有需要大量作业的课程，你可能会发现自己说类似“我一直在做这门课的作业”。想想这句话的含义。你可能意味着作业似乎是不停的。每次你完成一个作业，老师都会再给另一个，所以你永远没有休息。当科学家使用“连续”这个词时，它有类似的含义。这意味着没有间隙，没有空洞，没有中断。
科学家不使用“连续”这个词来描述作业，但他们确实使用它来描述电磁频谱（光谱只是频谱的复数形式）。在上一节中，你了解到电磁频谱是由按照波长递增顺序排列的光组成的列表。那么，一个连续的电磁频谱包含列表开头和结尾波长之间所有可能的波长的光。如果你发现这个定义令人困惑，可以考虑以下示例。
假设你有一个连续的光谱，它从波长为 500 纳米的光开始，以波长为 600 纳米的光结束。因为它连续，所以该光谱包含波长介于 500 纳米和 600 纳米之间的任何波长的光。它包含波长为 550 纳米的光。它包含波长为 545 纳米的光。它包含波长为 567.3 纳米的光。它甚至包含波长为 599.99999 纳米的光。写下任何大于 500 小于 600 的数字（包括带有小数点的数字）。一个介于 500 纳米和 600 纳米之间的连续电磁光谱将包含波长等于你所写数字的光。
如上一节所示，在电磁频谱的可見范围内，光的波长对应于它的颜色。因此，在可见范围内定义连续光谱的另一种方法是，它是一个包含列表开头和结尾颜色之间所有可能的颜色的光谱。图 5.13 显示了可见光范围内连续光谱的几个示例。第一个连续光谱从深靛蓝色开始，到红色结束。注意，这个光谱中的颜色如何从靛蓝到红色平滑地变化。没有间隙或缺失的颜色。第二个连续光谱也是如此。第二个光谱再次从深靛蓝色开始，但这次以黄色结束。光谱中的颜色再次平滑地变化，没有任何间隙或空洞，这使得光谱连续。第三个光谱也是连续的，只是这次它从绿色开始，到橙色结束。
并非所有电磁光谱都是连续的。有时它们包含间隙或空洞。科学家将包含间隙或空洞的电磁光谱称为不连续光谱。让我们重新检查从 500 纳米开始，以 600 纳米结束的光谱。此范围内的不连续光谱将包含某些，但不是所有大于 500 纳米和小于 600 纳米的波长的光。例如，一个不连续的光谱可能只包含波长为 500 纳米、523 纳米和 600 纳米的光。显然，你可以想到许多介于 500 和 600 之间的数字，它们不包含在该列表中（534 就是一个例子）。因此，光谱是不连续的。在 500 纳米和 600 纳米之间，另一个不连续的光谱可能包含除 533 纳米之外的所有波长的光。在这种情况下，几乎所有波长的光都被包含进来，但由于缺少 533 纳米，因此光谱仍然是不连续的。
图 5.14 显示了可见光范围内不连续光谱的几个示例。同样，由于光束的波长对应于它的颜色，你就可以清楚地看到当可见范围内的一个电磁光谱是不连续时，它会发生什么——会缺少颜色！在第一个例子中，光谱中间只缺少了几种绿色色调。然而，缺少的绿色色调使得光谱不连续。图 5.14 中接下来的两个例子有更大的缺失颜色间隙，因此它们是不连续的更加明显。
连续光谱与不连续光谱的概念可能看起来有些愚蠢。所以，如果一个光谱包含所有可能的波长，而另一个光谱跳过这里和那里的波长，那又有什么关系呢！这为什么重要？为了理解连续光谱和不连续光谱的重要性，我们必须更仔细地观察光与物质相互作用的方式，以及这些相互作用如何产生电磁光谱。
太阳光是一个连续光谱。换句话说，当你到海滩晒太阳时，你会被电磁频谱中所有不同波长的光束照射。某些波长会从你的皮肤上反射出去，而另一些波长会以导致晒黑甚至晒伤的方式发生相互作用。例如，你可能见过提供紫外线防护的防晒霜。紫外线的光波长小于可见蓝光。除了我们看到的可见光之外，太阳光的光谱还包含紫外线，以及具有该波长范围的光，这些光对人类皮肤细胞可能是有害的。
当然，当你躺在海滩上的阳光下时，你并没有真正看到彩虹照射在你身上，是吗？相反，你看到的是白光。因此，你可能持怀疑态度，很难相信阳光会形成连续光谱。当然，来自太阳的光束并不包含所有可能的波长的光… 当然，它们只包含与“白色”颜色相对应的波长的光。这个论点对你来说可能看起来很合乎逻辑，但你已经掉入了常见的陷阱——白色不是一种颜色。如果你仔细观察电磁频谱，你会发现可见范围内没有“白色”光。事实证明，白光不是来自任何特定波长或波长范围的光。相反，为了让我们的眼睛看到白色，它们实际上必须接收整个可见光谱中所有波长的光。
当阳光穿过水时，白色的阳光会散射开来，这样你就可以真正看到构成它的所有明亮彩色光的整个光谱。这就是我们所知道的彩虹。
白色并非一种颜色，也不存在与“白色”相对应的波长。相反，当可见光谱中所有波长的光混合在一起时，就会形成白光。
请记住，通过棱镜照射白光，可以将光分解成彩虹，显示出组成白光的所有不同颜色或不同波长的光。
现在我们已经知道在哪里可以找到*连续*光谱（来自太阳或任何其他纯白光源的光），让我们来讨论*不连续*光谱在我们世界中的出现地点和时间。通过某些类型的物质通电或电火花，可以使该物质发光。霓虹灯是这种现象的一个常见例子。当电流通过氖气时，氖会发出亮橙色的光。
氖不是唯一一种通电后会发光的物质。电流会导致氩发出蓝色光，氦发出粉红色光。事实上，电流会导致整个元素周期表中的*所有*元素发出不同的颜色。你可能已经猜到，氖或氩发光样品发出的光与从太阳照射下来的光截然不同。与白光太阳光不同，氖和氩等元素会发出*颜色*的光，这意味着它们*发射*（或发出）的光缺少某些波长——如果它们不缺少，它们在我们的眼中会呈现白色。
还记得如何通过棱镜照射阳光会散射成彩虹或连续光谱吗？当通过棱镜照射发光氢气样品的光时，它不会散射成连续光谱。相反，它会散射成不连续的光谱，只有四条彩色的光线。当通过棱镜照射发光氖气、氩气，甚至钠气样品的光时，也会发生类似的情况。你不会得到连续光谱，而是得到一个由一系列彩色线组成的*不连续*光谱。从任何特定元素中得到的特定系列彩色线被称为该元素的**原子光谱**或**发射光谱**。每个元素都有一个发射光谱，该发射光谱是该元素的特征。换句话说，钠的发射光谱始终保持一致，并且与任何其他元素（如钙、氦或金）的发射光谱不同。
发射光谱对于科学家来说有两个重要原因。首先，因为元素的发射光谱是该元素的特征，科学家通常可以使用发射光谱来确定未知样品中存在或不存在哪些元素。如果来自样品的发射光谱包含与钠发射光谱相对应的光线，那么该样品中含有钠。你可能听说或读到过科学家讨论某个遥远恒星中存在哪些元素，听到后，你可能想知道科学家如何知道一个无人到过的地方存在哪些元素。科学家通过分析来自恒星的光线并找到光线中元素的原子光谱来确定遥远恒星中存在哪些元素。如果来自样品的发射光谱包含与氦发射光谱相对应的光线，那么该样品中含有氦。其次，也许更重要的是，原子光谱的存在以及原子光谱是不连续的，可以告诉我们关于每个元素的原子结构的很多信息。通常，元素的原子光谱是该元素原子内的电子和质子之间相互作用的结果。原子光谱与原子成分之间的关系将在下一节中讨论。
- 当科学家使用“连续”一词时，他们指的是没有孔洞、没有间隙和没有断裂的东西。
- 连续电磁光谱包含光谱开始和结束的波长之间的所有波长。
- 不连续电磁光谱是一个光谱，它在包含的波长方面包含间隙、孔洞或断裂。
- 来自太阳的光，事实上，任何纯白光源都会产生包含连续光谱波长的光。
- 白色本身并不是一种光色，而是当所有其他颜色的光混合在一起时产生的。
- 当电流或电火花通过元素时，元素会发出彩色光。这种光实际上是由不连续光谱发出的光组成的，该光谱对每个元素都是唯一的。
- 我们将通过元素通电产生的不连续光谱称为该元素的原子光谱或发射光谱。
- 原子光谱可用于识别元素。它们还能告诉我们关于物质性质的很多信息。
- 判断以下每个光谱是连续的还是不连续的。
- 判断以下每个语句是正确还是错误。
- (a) 白光波长为 760 纳米。
- (b) 铁的原子光谱是不连续光谱的一个例子。
- (c) 氢的原子光谱是连续光谱的一个例子。
- 用“必须”、“可能”或“不会”填空。
- (a) 300 纳米到 500 纳米之间的连续光谱_____包含波长为 356 纳米的光。
- (b) 1000 厘米到 1.50 米之间的连续光谱_____包含波长为 1.234 米的光。
- (c) 234 毫米到 545 毫米之间的不连续光谱_____包含波长为 300 毫米的光。
- 在以下每个语句中选择正确的词语。
- (a) 532 纳米到 894 纳米之间的连续光谱包含所有波长（大于/小于）532 纳米和（大于/小于）894 纳米的光。
- (b) 532 纳米到 894 纳米之间的不连续光谱不包含所有波长在 532 纳米到 894 纳米之间的光，（包括/可能具有）波长为 650 纳米的光。
- 原子光谱的另一个名称是什么？
- 当电流通过氖气时，它会发出_____光。
- 当电火花通过氩气时，它会发出_____光。
- 当电流通过氦气时，它会发出_____光。
- LED（发光二极管）通过电流通过不同原子（或分子）的混合物，然后利用它们的组合发射光谱来照亮房间或一串圣诞树灯。为什么白色 LED 很难以制造而且价格昂贵？
- 原子光谱（发射光谱）
- 当电流通过元素样品时，元素发射的独特的不连续光谱。
- 连续电磁光谱
- 一个包含列表开头和结尾波长之间所有可能光波长的光谱。在可见光范围内，它是一个包含列表开头和结尾颜色之间所有可能颜色的光谱。
- 不连续电磁光谱
- 一个包含指定范围内某些但并非所有波长的光谱。在可见光谱中，存在间隙或缺少颜色。
- 纯白光
- 所有可能光波长的连续光谱。
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