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Part I 光譜學基本原理Basic Principle of Optical Spectroscopy
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光？什麼是光？那是什麼光？
沒有光就沒有生命！光隨著太陽升起而環繞在我們左右，隨太陽西下而消失，偶而抬頭看看在大雨過後陽光乍現時那一灣美麗的虹彩，這一切是那麼的自然，但是你是否想過光是什麼？
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光譜研究的鼻祖是鼎鼎大名的科學家牛頓，1666年，當他24歲時，他做了有名的三稜鏡光散射實驗，將一束太陽光經一塊三角形玻璃稜鏡折射後，在牆上分布成紅﹑橙﹑黃﹑綠﹑藍﹑靛﹑紫等七色的彩色光帶。當再倒放一個三稜鏡於第一個三稜鏡後面時，各顏色又重新組合成為一束白光。
1672年，牛頓在倫敦皇家學會上發表了第一篇論文「光和色的新理論」中，牛頓將這種彩虹色帶命名為光譜 (Spectrum)，並解釋了它的成因：日光原是各種色光混合而成的，由於各色光的折射率不同，所以通過三稜鏡時被色散開來。
其實牛頓並不是第一位觀察到這種色散現象的人，早在西元一世紀時，羅馬最偉大的政治家兼哲學家西尼卡，就曾提到當陽光照過一塊角形的玻璃時，會呈現彩虹的全部顏色，只是西尼卡認為那是玻璃將白光「著色」的結果。
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1800年，英國天文學家威廉．赫瑟爾爵士做了一個有趣的實驗，他將一個非常靈敏的溫度計放在經稜鏡色散開來的光譜中，測量各色光的溫度。結果發現愈向紅光方向溫度愈高，而且超出紅光後，在沒有色光的地方，溫度還繼續升高，他推斷在紅光之外一定還有一種我們人類肉眼所看不見的輻射光，就這樣發現了波長比紅光更長的「紅外線」(Infrared，簡寫為 IR)。紅外線具有較強的熱效應，因此也叫「熱線」。
1801年，德國物理學家里特爾研究氯化銀的光敏現象，發現氯化銀在可見光照射時會分解，但當暴露在可見光譜的紫光外側時，分解得更快。他因而推斷在紫光之外一定也有一種我們人類肉眼所看不見的輻射光，那就是波長比紫光更短的紫外線 (Ultraviolet，簡寫為 UV)。紫外線具有較強的化學效應，因此也叫「化學線」。
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1864年，蘇格蘭物理學大師馬克士威綜合庫侖﹑安培及法拉第的電磁場概念，以數學方程式發展出重要的電磁學理論，預言了電磁輻射的存在，指出電磁輻射是藉波動型式以光速傳播，並將光視為一種電磁波。
1888年，德國物理學家赫茲在實驗室中產生了無線電波，測其波長和速度，發現其振動性以及反射﹑折射等特性皆與光波﹑熱波等毫無二致，而證明了馬克士威的理論－光和熱都是電磁輻射的一種型式。即光﹑熱以及其他各種電磁輻射，包括後來發現的﹑波長比紫外線更短的Ｘ光﹑伽馬射線以及宇宙射線等，本質上都是相同的，都是電磁波，只是波長不同而已。
後來的研究又指出光亦具有粒子的性質（光電效應）。
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光的波動性質—光是一種電磁輻射（電磁波）以光速傳播
所有電磁波的速度都相等，為光速（C =3x1010cm/sec）
λ: Wavelength (cm) ν: Frequency (sec-1 or Hz) 所以 C＝λ‧ν λ＝ C / ν or ν＝ C / λ λ 與ν成反比
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光的粒子性質—光本身具有粒子特性（光子），其傳播不用介質— Photoelectric Effect
電磁波的能量為頻率乘以浦郎克常數，頻率越高能量越大
h : Planck’s contant (6.63x10-34J.sec)
因為 E 與ν成正比 所以 λ 與 E 成反比
hChE
11f
E = h f
Light energy comes inpackets called photons
h = Planck’sConstant
Amount of energydepends on frequency
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Regions of Electromagnetic radiation
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Regions of Electromagnetic radiation
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光譜學與元素的發現1802 年，英國化學家伍拉斯頓觀察太陽光譜時，注意到連續彩色光帶中，夾雜著垂直暗線，他最初認為或許是顏色間的界線，後來想想又覺得不可能，因為如前所述，各色間的變化乃是連續而逐漸過渡的，各色間不應該有條紋來區隔或劃分，何況有些暗線是出現在同一色區的中間。在不得要領之下，他只好把這些暗線的出現歸咎於稜鏡的缺陷。1814 年，德國的物理學家弗朗和斐 發明了另一種色散的儀器－繞射光柵，它不但色散作用比稜鏡大得多，而且對各色光分散得極為均勻。他用繞射光柵試驗太陽光譜時，也發現了伍拉斯頓所看見的暗線，他知道這些暗線不會是儀器因素造成的，因為他由繞射光柵所得的譜線與由稜鏡所得的相比較時，除更細緻﹑更清晰外，主要暗線的位置與波長居然是一樣的。
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光譜學與元素的發現有一天，弗朗和斐忽然心血來潮，把他的分光儀一器二用，將光線入口處分成兩半，上半以陽光入射，下半以燃燒的鈉焰入射，於是得到了上下兩幅平行的光譜。他發現發出強烈黃光的鈉焰在光譜中有兩條很接近的明亮黃線，恰巧與太陽光譜中他標示為 D 的兩條暗線在同一位置上，（此即今日我們所稱的著名的「鈉 -D 雙線」），這意味著什麼？他知道其中一定蘊藏有重大的玄機，只是不曉得答案在那裡！
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光譜檢驗法有一個名叫馬格拉夫的德國化學家，在1762年發現，從植物鹼 (碳酸鉀)轉化出來的各種鹽類鹽類((鉀鹽鉀鹽)) 都會把火焰染成紫色都會把火焰染成紫色，而從天然的蘇打鹼(碳酸鈉) 轉化出來的各種鹽類鹽類((鈉鹽鈉鹽)) 則都會把火焰染成黃色則都會把火焰染成黃色，從此以後，人們就用這種方法來鑒別鈉鹽和鉀鹽。接著科學家很快就發現，不只鈉鹽和鉀鹽有特殊的焰色，許多金屬鹽類在燃燒時也都會產生特殊的焰色，如銅鹽的焰色是翠綠色的，鋇鹽的焰色是草綠色的鋇鹽的焰色是草綠色的，鈣鹽的焰色是橘紅色鈣鹽的焰色是橘紅色的，而鍶鹽和鋰鹽一樣都是鮮紅色的。於是發展出一種叫做「焰色試驗」的定性分析法，可以很方便的檢驗出某些鹽類中所含的金屬成分。以一根白金棒沾少許金屬鹽類溶液或粉末，置無色燈焰上加熱燃燒，則由燃燒產生的火焰顏色就可以判斷所含金屬之種類。繞射光柵的分光術發明以後，英國的物理學家泰爾包特於1825年製造了一種可以研究焰色光譜的儀器，然後將燈蕊浸在各種不同鹽類的溶液中，曬乾後點燃，觀察其光譜，發現各種金屬鹽類的火焰分光後所得的光譜，都是不連續的幾條亮線，各出現在其對應的顏色光區內，其中他注意到，鍶鹽和鋰鹽儘管焰色幾乎完全相同，但呈現的光譜卻迥然不同。他是意識到每種元素都有自己的一組特徵光譜的第一位科學家。
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光譜學的天文應用將光譜分析術集大成的，是一對在海德堡大學共同研究的德國科學家本生(R.W.Bunsen 1811-1899) 與基爾霍夫 (G.R.Kirchhoff 1824-1887)。他們首先設計了一台精密準確又操作簡便的看譜鏡，簡化了光譜化學分析技術。接著他倆重新再做四十年前弗朗和斐所做的鈉焰實驗，弗朗和斐不是發現鈉光譜的兩條黃線恰在太陽光譜中他標示為 D的兩條暗線位置而不知其所以然嗎？這次他倆讓連續光譜透過鈉焰的上方，那�有未燃燒的鈉蒸氣，結果在一片連續的彩色光帶中竟然就出現了兩條明顯的 D 暗線。顯然，是鈉蒸氣將連續光譜中屬於 D 線波長的輻射給吸收掉了！於是他們在於是他們在 18591859 年發表了兩條有名的「基爾霍夫輻射定律」。年發表了兩條有名的「基爾霍夫輻射定律」。其一謂每種化學元素都各有其特殊的光譜，其二謂每種元素所「吸收」的電磁輻其一謂每種化學元素都各有其特殊的光譜，其二謂每種元素所「吸收」的電磁輻射波長與所「發出」的波長相等，詳言之，當某元素在高熱燃燒時若能發射某種射波長與所「發出」的波長相等，詳言之，當某元素在高熱燃燒時若能發射某種波長的光，則在較低溫時其蒸氣就會吸收相同波長的光。波長的光，則在較低溫時其蒸氣就會吸收相同波長的光。這第二條輻射定律就解釋了四十多年來一直不知其所以然的「弗朗和斐暗線」問題。本生與基爾霍夫認為高溫的太陽表面原會發出含有各種頻率的連續光譜，然而緊貼著太陽表面的大氣層，因為溫度比太陽光球的溫度低，其中所含的蒸氣成分，會依其化學元素特性而選擇吸收其特徵波長的輻射，所以太陽光譜中的各條弗朗和斐暗線都是其大氣成分元素吸收部分陽光波長所造成的。像暗線中的 D 線為什麼恰與鈉焰的雙黃線位置﹑波長一樣，就是因為太陽大氣中含有鈉成分，吸收了陽光中的這種波長之故，也就是說 D暗線的存在正是太陽大氣中含有鈉成分的明證！他們就用這種方法比較太陽光譜中的弗朗和斐暗線與各元素的特性光譜，而在1859年宣布，太陽大氣層中含有鈉﹑鐵﹑鈣和鎳而沒有鋰，但其中含量最豐的則是氫。
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原子模型與電子軌域
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發射光譜與吸收光譜Emission and Absorption Spectrum
自然界的物質是由各種不同的原子或分子所組成的。量子論告訴我們，每一個原子或分子皆有其特定的能階，而原子或分子內的電子只能存在這些特定的能階中。當一個光子與一個原子或分子相遇，而這個光子的能量剛好等於此一原子或分子某兩個能階間的能量差時，低能階的電子可能吸收這個光子而躍上高能階，在這種情況下入射光的能量被吸收了。但另一方面，高能階的電子也會釋放一個與入射光子能量相同的光子，而躍下低能階。
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Absorption and Emission ofLight
Ene
rgy
Absorption Emission
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光譜學定性的原理任何物質都有它特殊的吸收波長及發射波長，只要檢驗某些特殊波長是否存在或是被吸收，就可以確認是否有某些物質存在。
例如鈉原子可發射或吸收589nm的電磁波，檢驗樣品是否有發射或吸收589nm的電磁波就可確認樣品內是否有鈉原子的存在。
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光譜學儀器的分類發射光譜儀：原子發射光譜儀（AES）。
吸收光譜儀：原子吸收光譜儀（AAS）、紫外線／可見光分光光度計（UV/VIS）、紅外線光譜儀(IR)。
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光譜學定量的原理
若能瞭解物質的濃度與其對光吸收量或發射量之間的關係，就可以用光吸收量或發射量來測定物質的濃度。
而物質濃度與光吸收量之間的關係，可以用Beer’s law(比爾定律)來描述。
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Attenuation of Light光之衰減
A:溶液之吸光度b:溶液厚度(樣品槽厚度)P0:入射光之功率P : 通過b厚度溶液之功率T:透光度或穿透率
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Absorption Methods, TransmittanceT = P/Po
where T => transmittance（透光率）
P => power of transmittedradiation
Po => power of incidentradiation
%T（透光率百分比） = (P/Po)*100where %T => percenttransmittance
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Absorption Methods, Absorbance
A = - log10T = - log10 (P/Po) =log10 (Po/P)
whereA => absorbance (吸光度)
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Relation BetweenTransmittance and Absorbance
P/Po %T Po/P A1 100 1 00.1 10 10 10.01 1 100 2
A=logP0/P
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Relationship ofTransmittance and Absorbance
transmittance scale is linear(直線)absorbance scale is exponential(對數)thus, read transmittance, then
calculate absorbance
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Absorption Methods, Beer’s LawA = abc = bc
where a => absorptivity(吸收係數)(cm-1 Lg-1)b => path length(透過溶液之光程)(cm)c => concentration(吸收成分的濃度,
g/L)
=> molar absorptivity(莫耳吸光係數，當待測之成分濃度用莫耳為單位，此時表示莫耳吸收係數, 單位為L mol-1cm-1)
A:吸光度是光束能量比值的對數值a:a:待測成分的吸收係數是取決於該成分分子性質的一個比待測成分的吸收係數是取決於該成分分子性質的一個比例常數，與例常數，與波長波長有關，並根據有吸收的待測成分所受的有關，並根據有吸收的待測成分所受的外界化學環境外界化學環境(pH(pH、離子強度、溶劑等、離子強度、溶劑等))而變化而變化。
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Beer’s Law A = abc
Path Length Dependence, bReadout
Absorbance
0.00
Source
Detector
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Beer’s Law A = abc
Path Length Dependence, bReadout
Absorbance
0.22
Source
Detector
b
Sample
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Beer’s Law A = abc
Path Length Dependence, bReadout
Absorbance
0.44
Source
Detector Samples
b
40
Beer’s Law A = abc
Path Length Dependence, bReadout
Absorbance
0.66
Source
Detector Samples
b
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Beer’s Law A = abc
Concentration Dependence, cReadout
Absorbance
0.00
Source
Detector
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Beer’s Law A = abcConcentration Dependence, c
ReadoutAbsorbance
0.32
Source
Detector
b
Sample
c = 25mg/ml
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Beer’s Law A = abc
Concentration Dependence, cReadout
Absorbance
0.64
Source
Detector
b
Sample
c = 50mg/ml
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Beer’s Law A = abc
Wavelength Dependence, aReadout
Absorbance
0.82
Source
Detector
a 與波長有關
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Beer’s Law
A
max
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Beer’s Law A = abc
Wavelength Dependence, aReadout
Absorbance
0.03
Source
Detector
b
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Beer’s Law A = abc
Wavelength Dependence, aReadout
Absorbance
0.80
Source
Detector
b
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Example: A 7.50 x 10-5M KMnO4 solutionhas an absorbance of 0.658 when measuredin a 1.50 cm cell at 525 nm. Calculate themolar absorptivity for KMnO4 on the basisof these data.
A = b c
0.658 = (1.50 cm)(7.50 x 10-5M )
= 0.658/(1.50*7.50 x 10-5)L/mol*cm
= 5.85 x 103 L/mol*cm
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A = abc一般實驗室所用的樣品槽的光徑為1cm或是為某個固定
寬度，因此在相同操作條件下b可視為常數，所以Beer’s Law可以簡化為
A = ac也就是A與c成線性正比關係，其斜率(sloop)為a
A
c
斜率(sloop)=a
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UV-Vis 基本原理紫外線及可見光吸收光譜法是依據物質分子或離子團對紫外線及可見光的特性吸收光譜圖線來分析的定性定量方法。紫外線可見光吸收光譜法又稱為紫外線可見光分光光度法(ultraviolet-visiblespectrophotometry)，它可分為可見光吸收光譜法可見光吸收光譜法((適用於可見光區適用於可見光區: 400~780 nm): 400~780 nm)及紫外線吸收光譜紫外線吸收光譜法法((適用於近紫外線光區適用於近紫外線光區: 200~400 nm): 200~400 nm)兩種，都可進行定性及定量分析。
測量吸收光譜所用的儀器稱為吸收光譜儀或分光光度計(spectrophotometer》。
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紫外線-可見光吸收光譜法的特點 1、設備簡單、操作方便、分析速度快設備簡單、操作方便、分析速度快，並可自動化。
2、靈敏度高靈敏度高:吸收光譜的偵測極限在10-4至10-5 M範圍，適當的修正可提高至10-6 M或 10-7 M。
3、準確度高準確度高:相對誤差範圍在1~5%，甚至可達零點幾%。
4、應用廣泛應用廣泛:許多無機和有機物種均可吸收紫外線或可見光輻射。許多非吸收物種經化學處理轉變成許多非吸收物種經化學處理轉變成吸收衍生物物種後，即可被測定吸收衍生物物種後，即可被測定。幾乎能測定所有金屬元素，也能測定氮、棚、矽、神、氧、硫、晒、碲、氟、氯、溴及碘等非金屬元素，及有機化合物。
5、選擇性高選擇性高:可找出一波長區域，使分析物為唯一的吸收成分，而不需預先處理。若吸收帶有重疊時，可選用其他波長再作測量。
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紫外線-可見光吸收光譜法的應用
紫外線吸收光譜法主要用於紫外線吸收光譜法主要用於測定具測定具有芳香環結構的化合物及含有共軛有芳香環結構的化合物及含有共軛雙鍵的化合物雙鍵的化合物。其靈敏度高且很少。其靈敏度高且很少受其他物質的干擾，一般不需要繁受其他物質的干擾，一般不需要繁瑣的預先分離手續。瑣的預先分離手續。
可見光吸收光譜法可應用於工業分可見光吸收光譜法可應用於工業分析及環境監測。析及環境監測。
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定性分析的應用 (一)化合物的鑑定 1.比較吸收光譜的一致性比較吸收光譜的一致性:若二個試樣是同一化合物，則其吸收光譜應完全一致。在鑑定時為消除溶劑效應，應將試樣和標準物以相同濃度配製在相同溶劑中，在相同條件下分別測定其吸收光譜，比較二者的吸收光譜圖線是否一致。
2.比較比較λλmaxmax及及 εεmaxmax的一致性的一致性:二個結構有區別的化合物，有時它們的最大吸收波長相同，但它們的莫耳吸收係數有差別。所以同時比較λmax及 εmax就可確定是否為同一化合物。
3.比較最大吸收波長及吸光度比值的一致性比較最大吸收波長及吸光度比值的一致性:
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[二]結構分析紫外線-可見光吸收光譜基本上是分子中的發分子中的發色團和助色團的特徵色團和助色團的特徵，不是整個分子的特徵。因此，在結構分析中，紫外線-可見光吸收光譜法的主要作用是推測官能基及確定共官能基及確定共軛體系軛體系，例如羰基、硝基、苯環、共軛二烯、共軛多烯等。
[三]化合物純度的檢驗如果某化合物在紫外線-可見光區無明顯吸收，而其中的雜質卻有較強的吸收，則可利用紫外線-可見光吸收光譜來檢出此雜質。例如，環己烷含有微量雜質的苯或其他芳香烴時，在254 nm有吸收峰。
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定量分析的應用定量分析的應用--常規定量分析法常規定量分析法 1.1.比較法即標準物對照法比較法即標準物對照法，係在最大吸收波長下，分別測定，係在最大吸收波長下，分別測定樣樣
品溶液品溶液及及標準物溶液標準物溶液的吸光度的吸光度AxAx，及，及AsAs，進行比較可直接求得，進行比較可直接求得樣品的濃度。樣品的濃度。
22．．標準曲線法一檢量線法標準曲線法一檢量線法 首先配製一系列首先配製一系列((一般為一般為55--88個個))濃度不同的標準溶液，分別在選濃度不同的標準溶液，分別在選
定波長下測定其吸光度，然後以標準溶液濃度為橫坐標，以吸定波長下測定其吸光度，然後以標準溶液濃度為橫坐標，以吸光度為縱坐標，作出標準曲線光度為縱坐標，作出標準曲線((又稱檢量線又稱檢量線))。若符合比耳定律。若符合比耳定律應為一直線。在相同條件下測定樣品溶液的吸光度應為一直線。在相同條件下測定樣品溶液的吸光度AxAx，就可直，就可直接由檢量線得到其濃度接由檢量線得到其濃度CxCx，。如圖，。如圖66．．11所示。所示。
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3.標準加入法又稱增量法(increment method) ，可分為一次增量和多次增量