光谱仪的光学基础

光的波动性

辐射 (radiation) 是能量的一种形式，人体通过视觉（可见光）及感觉（热）知道它的存在。辐射是一种由电磁效应产生的波动现象，在自然界中，人们将所有具有波动的能量，统称为“电磁辐射  (electromagnatic radiation) ”，也就是中文俗称的“电磁波”。人眼可以看到的“可见光 (visible light)”，也是电磁波的一种。

经过历代科学家的实验，已经证实辐射、光、电磁波，其实就是同一种东西，是一种能量的型式，并由光的绕射实验，发现能量的波动性。为了解释电磁波的模样，科学家通常将电磁波画成正弦波(sine wave) 的样子，如下图：

电磁波的波形示意

电磁波的波长λ (lambda)，代表两个波峰之间的距离；频率ν (neu)，是一秒钟的时间内，某一行进中的电磁波，其波峰通过某一定点的次数。

波长的单位，通常用奈米 (nm)、毫微米 (millimicron, mμ) 、埃 (A)来表示。单位换算如下：

1 nm = 1 mμ = 10-9  meter1 nm = 10 A

而频率的单位，则是用赫兹 (Hz, Hertz) 表示，并有千赫 (KHz, Kilo Hertz)，兆赫 (MHz, Mega Hertz)、吉赫 (GHz, Giga Hertz)等等的单位名词，单位换算如下：

1KHz = 1000Hz

1MHz = 1000KHz

1GHz = 1000MHz

将波长与频率两者相乘，便得到电磁波的速度 v （波速）。三者关系可以用以下方程式表示：

v = νλ

在介质中，波速会小于光速 c，然而在真空中，波速 v 会等于光速 c。上式可改为：

c = νλ

比方说，News98新闻台的广播信号是以98.1MHz的频率播放，以每秒30万公里 (3亿公尺) 的光速计算，九八新闻台广播信号的电波波长，大约为3公尺。(300,000,000 m / 98.1M = 3.0581m)。

光的粒子性

科学家普朗克 (Max Planck)，在1900年12月14日提出电磁波能量量子化假说，他解释了韦恩 (Wien) 跟瑞利 (Rayleigh) 黑体辐射公式中的缺陷，而认为电磁波的能量跟频率有一个固定比例，可以以下面公式表示：

Ε = hν

能量Ε (epsilon) 的单位是焦耳 (Joule)，ν (neu) 是频率，h是普朗克常数 (6.626 × 10-34 Js)。

而且，在黑体辐射中，能量只会是 hν 的整数倍。也就是说：

Ε = 0, hν, 2hν, 3hν, 4hν,...,nhν

后来经过爱因斯坦光电效应的实验，进一步证明普朗克常数的可靠性。在他的实验中，他设计三个可变的参数：

光电转换电流 (i) ，也就是光的强度，或是说光子的数目。

阻滞电压 (V)，用来产生阻止电位(V₀)，也就是让光电流停止。

光频率 (ν)，每秒钟通过一定点的波数。

从固定 V 及 ν 两个参数，仅调整光强度大小，爱因斯坦因此发现，光电流的大小，跟光强度成正比，而且是线性关系。此外，利用控制阻滞电压的实验发现，电子脱离所需的能量，只跟光的频率有关，而跟光的强度无关。而且，阻止电位跟光的频率成正比，而且斜率正好就等于普朗克常数。

因此证明光的强度代表光子数目的多寡，而不是光的能量。

将所有不同波长的电磁波，连续地集合在一起，便成为“光谱” (spectrum)。科学家将光谱分割成几个区间，并为每个区间命名。“可见光”，便是人眼就能够辨识的区段，由红色到紫色的七彩光线构成，红色光的波长较长，紫色光的波长较短。

光谱的各个区间

光谱学

光谱学 (spectroscopy) ，是研究物质电磁辐射能量（电磁波能量）的学门，其专注的电磁波波长范围，是介于Gamma射线到微波的这段区间。“应用光谱学会 (SAS, Society for Applied Spectroscopy)”定义出这些区间的标准波长，如下表：

由国际标准化组织所定义的太阳光电磁辐射频谱，ISO 21348:2007，有更为详细的规范。（点此下载）。

由于可见光、紫外光、红外光较容易获得，也容易观察，因此紫外/可见/红外光 (UV-Vis-IR) 也是光谱学及光谱仪最早发展出来的技术。

光谱测试的原理，是用一个光源，照射在一个光感测器（光电转换器）上，利用光感测器来量测光的能量，根据量测出来的数值，估算出单位时间内，光子射在感测器上的数量。若我们将待测物样本放在两者的中间时，样本会吸收一部分光子，使得感测器一端接收的光子因此减少，量测出来的能量相对减弱，这样就能计算出前后差异，进一步了解样本的特性。

灯源是光谱仪内的消耗品，跟电灯一样，有一定的寿命。以人造光源来说，钨丝灯 (Ttungsten Llamp) 是最易取得的光源，而且其光线的波长范围，正好完全覆盖整个可见光的波长区间，因此被广泛地用于可见光光谱仪上，做为光源使用。氘灯 (Deuterium Lamp) ，也称为 D2灯 (D2 Lamp)，其波长在紫外光的范围内，因此是紫外光光谱仪常见的光源。

钨丝灯源

扫描式的光谱仪（如势动科技的UV-Vis光谱仪系列），可以扫描整个频段的光谱，绘制出光谱图，由光谱图可以看出各个波长量度上的能量状况，并能精确了解样本的特性。UV-Vis光谱仪已经是相当成熟且低价的光谱仪设备。

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