在分析化学领域对光谱的理解是:光强度与波长两个变量之间的函数关系。当然,一般把这个函数用曲线形式表示,横坐标为波长、纵坐标为强度。化学是研究物质的组成、结构、性质的学科,而分析化学就是讲如何获取这些信息的方法。具体一点来讲,就是研究其他的可测量量与物质的组成、结构、性质自己存在什么样的关系,从而实现根据测量结果导出组成、结构方面的数据。光谱学之所以能够为分析化学所用,就是因为光谱中,波长与强度这两个特征量都是可测量量,并且都与物质的组成、结构、性质之间具有对应关系。而且,更重要的是,某些对应关系是符合计量学特征的。每一个具有计量特征的对应关系就相应的衍生出一种光谱分析方法。结合一些例子说明一下:对于原子发射光谱,波长一般与物质中有哪些元素有对应关系,所以分析化学里面根据这个关系进行定性分析。结构化学里面研究的方法是找一种纯的元素单质,测量其波长,然后进行量子化学的计算(大约是这样吧,这方面真是不太懂)。但是分析化学做的事是反过来的,根据测得的波长推导元素组成。元素的原子轨道决定波长,也就是:“元素=>波长”这样一个导出过程。但是这个导出过程是充分非必要条件,也就是前面说的计量学特征不满足,不是一一对应关系。一个元素对应多种波长的谱线,同一波长的谱线可以来源于不同元素。所以在分析化学中就必须考虑通过什么手段能够建立严格的一一对应关系,或者说通过哪些谱线定性可以有较高的置信度不会误判。
我本身是物化的,大学的时候,也学了点分析化学、仪器分析这些课程。先说我不懂的吧,分析化学的光谱学,一听我就想到了红外吸收光谱、傅立叶变换红外光谱、拉曼光谱仪(各大分析测试平台的光谱测试手段还有很多,可以去了解了解);特点就是,以一个成熟的商业仪器出发,用一些很成熟的方法,对不同的物质做一模一样的操作,提取信息加以分析,不管啥样品,拿来就是一对怼,然后分析数据总结现象和规律。物化里面的光谱学,一听到这个就想的是搭建各种装置,共振增强多光子电离(REMPI),激光诱导荧光(LIF),光腔衰荡光谱(CRDS);红外光谱(IR)和拉曼光谱(Raman)也是经常搭着玩的。有一点说来,这个都是方法告诉你,装置自己搭;他也有用成熟的光谱商业仪器,比如红外和拉曼光谱,但是它是针对一个化学反应体系,不断改变反应调节,这个商业仪器只是一个装置上的表征手段;我觉得分化更关心的是测量一个结果,物化更关心的是一个反应过程。最通俗的感觉,分化的光谱学就是,拿一个成熟的机器,不停换各种样品,测出来看是啥,分析是啥官能团啥成分啥的;物化的光谱学就是,我给你一个分子,比如H2,你把它个各个振动v,转动j,甚至角量子m,这些能级,精确的位置测出来;比如CH4,各个振动模式,组合振动什么弯曲拉伸振动,基频,泛频测出来。
原子发射光谱,其基础理论在光谱学和结构化学里面很早就已经非常完善了,但是这些理论针对的是纯物质、稀薄气体、热力学平衡态。一个理想的热力学平衡体系中,不考虑粒子间相互作用,有多少是基态、多少激发态、多少中性原子、多少一级电离、多少二级电离、跃迁几率是多少、发射多少光子、多少光子被自吸……这些都是可以精确计算的,所以原子数量与发射谱线的强度有严格的定量关系。然而,分析化学面对的往往是凝聚态的混合物,例如一桶水或者一块石头,这里面的数量关系就不是理论中讲的那么简单,准确度也大打折扣。所以分析化学关注的并不是发射光谱的基础理论,这是物理方面研究的。分析化学对波长和光能量的准确测量也不是非常关心,这是搞光学仪器的人研究的。





