高中化學/光與原子光譜
我們現在知道，光可以根據情況表現為波或粒子。但是，你可能會想知道，為什麼化學教科書會浪費一整個章節來談論光。光，像物質一樣，是宇宙的一部分，但化學家並不負責研究整個宇宙。化學家負責研究化學物質。光與化學物質有什麼關係？為什麼化學家需要了解光？
事實證明，科學家可以透過觀察化學物質如何與光相互作用來了解很多關於化學物質的資訊。不同的化學物質在被光束照射時表現不同。事實上，相同的化學物質會對不同顏色的光束產生不同的相互作用。但是，為了理解光可以告訴我們關於不同化學物質的資訊，我們必須首先更仔細地觀察電磁頻譜。
- 區分連續光譜和不連續光譜。
- 認識到白光實際上是所有可能的波長的光組成的連續光譜。
- 認識到所有元素都有獨特的原子光譜。
如果你有需要大量作業的課程，你可能會發現自己說類似“我一直在做這門課的作業”。想想這句話的含義。你可能意味著作業似乎是不停的。每次你完成一個作業，老師都會再給另一個，所以你永遠沒有休息。當科學家使用“連續”這個詞時，它有類似的含義。這意味著沒有間隙，沒有空洞，沒有中斷。
科學家不使用“連續”這個詞來描述作業，但他們確實使用它來描述電磁頻譜（光譜只是頻譜的複數形式）。在上一節中，你瞭解到電磁頻譜是由按照波長遞增順序排列的光組成的列表。那麼，一個連續的電磁頻譜包含列表開頭和結尾波長之間所有可能的波長的光。如果你發現這個定義令人困惑，可以考慮以下示例。
假設你有一個連續的光譜，它從波長為 500 奈米的光開始，以波長為 600 奈米的光結束。因為它連續，所以該光譜包含波長介於 500 奈米和 600 奈米之間的任何波長的光。它包含波長為 550 奈米的光。它包含波長為 545 奈米的光。它包含波長為 567.3 奈米的光。它甚至包含波長為 599.99999 奈米的光。寫下任何大於 500 小於 600 的數字（包括帶有小數點的數字）。一個介於 500 奈米和 600 奈米之間的連續電磁光譜將包含波長等於你所寫數字的光。
如上一節所示，在電磁頻譜的可見範圍內，光的波長對應於它的顏色。因此，在可見範圍內定義連續光譜的另一種方法是，它是一個包含列表開頭和結尾顏色之間所有可能的顏色的光譜。圖 5.13 顯示了可見光範圍內連續光譜的幾個示例。第一個連續光譜從深靛藍色開始，到紅色結束。注意，這個光譜中的顏色如何從靛藍到紅色平滑地變化。沒有間隙或缺失的顏色。第二個連續光譜也是如此。第二個光譜再次從深靛藍色開始，但這次以黃色結束。光譜中的顏色再次平滑地變化，沒有任何間隙或空洞，這使得光譜連續。第三個光譜也是連續的，只是這次它從綠色開始，到橙色結束。
並非所有電磁光譜都是連續的。有時它們包含間隙或空洞。科學家將包含間隙或空洞的電磁光譜稱為不連續光譜。讓我們重新檢查從 500 奈米開始，以 600 奈米結束的光譜。此範圍內的不連續光譜將包含某些，但不是所有大於 500 奈米和小於 600 奈米的波長的光。例如，一個不連續的光譜可能只包含波長為 500 奈米、523 奈米和 600 奈米的光。顯然，你可以想到許多介於 500 和 600 之間的數字，它們不包含在該列表中（534 就是一個例子）。因此，光譜是不連續的。在 500 奈米和 600 奈米之間，另一個不連續的光譜可能包含除 533 奈米之外的所有波長的光。在這種情況下，幾乎所有波長的光都被包含進來，但由於缺少 533 奈米，因此光譜仍然是不連續的。
圖 5.14 顯示了可見光範圍內不連續光譜的幾個示例。同樣，由於光束的波長對應於它的顏色，你就可以清楚地看到當可見範圍內的一個電磁光譜是不連續時，它會發生什麼——會缺少顏色！在第一個例子中，光譜中間只缺少了幾種綠色色調。然而，缺少的綠色色調使得光譜不連續。圖 5.14 中接下來的兩個例子有更大的缺失顏色間隙，因此它們是不連續的更加明顯。
連續光譜與不連續光譜的概念可能看起來有些愚蠢。所以，如果一個光譜包含所有可能的波長，而另一個光譜跳過這裡和那裡的波長，那又有什麼關係呢！這為什麼重要？為了理解連續光譜和不連續光譜的重要性，我們必須更仔細地觀察光與物質相互作用的方式，以及這些相互作用如何產生電磁光譜。
太陽光是一個連續光譜。換句話說，當你到海灘曬太陽時，你會被電磁頻譜中所有不同波長的光束照射。某些波長會從你的皮膚上反射出去，而另一些波長會以導致曬黑甚至曬傷的方式發生相互作用。例如，你可能見過提供紫外線防護的防曬霜。紫外線的光波長小於可見藍光。除了我們看到的可見光之外，太陽光的光譜還包含紫外線，以及具有該波長範圍的光，這些光對人類皮膚細胞可能是有害的。
當然，當你躺在海灘上的陽光下時，你並沒有真正看到彩虹照射在你身上，是嗎？相反，你看到的是白光。因此，你可能持懷疑態度，很難相信陽光會形成連續光譜。當然，來自太陽的光束並不包含所有可能的波長的光… 當然，它們只包含與“白色”顏色相對應的波長的光。這個論點對你來說可能看起來很合乎邏輯，但你已經掉入了常見的陷阱——白色不是一種顏色。如果你仔細觀察電磁頻譜，你會發現可見範圍內沒有“白色”光。事實證明，白光不是來自任何特定波長或波長範圍的光。相反，為了讓我們的眼睛看到白色，它們實際上必須接收整個可見光譜中所有波長的光。
當陽光穿過水時，白色的陽光會散射開來，這樣你就可以真正看到構成它的所有明亮彩色光的整個光譜。這就是我們所知道的彩虹。
白色並非一種顏色，也不存在與“白色”相對應的波長。相反，當可見光譜中所有波長的光混合在一起時，就會形成白光。
請記住，透過稜鏡照射白光，可以將光分解成彩虹，顯示出組成白光的所有不同顏色或不同波長的光。
現在我們已經知道在哪裡可以找到*連續*光譜（來自太陽或任何其他純白光源的光），讓我們來討論*不連續*光譜在我們世界中的出現地點和時間。透過某些型別的物質通電或電火花，可以使該物質發光。霓虹燈是這種現象的一個常見例子。當電流透過氖氣時，氖會發出亮橙色的光。
氖不是唯一一種通電後會發光的物質。電流會導致氬發出藍色光，氦發出粉紅色光。事實上，電流會導致整個元素週期表中的*所有*元素髮出不同的顏色。你可能已經猜到，氖或氬發光樣品發出的光與從太陽照射下來的光截然不同。與白光太陽光不同，氖和氬等元素會發出*顏色*的光，這意味著它們*發射*（或發出）的光缺少某些波長——如果它們不缺少，它們在我們的眼中會呈現白色。
還記得如何透過稜鏡照射陽光會散射成彩虹或連續光譜嗎？當透過稜鏡照射發光氫氣樣品的光時，它不會散射成連續光譜。相反，它會散射成不連續的光譜，只有四條彩色的光線。當透過稜鏡照射發光氖氣、氬氣，甚至鈉氣樣品的光時，也會發生類似的情況。你不會得到連續光譜，而是得到一個由一系列彩色線組成的*不連續*光譜。從任何特定元素中得到的特定系列彩色線被稱為該元素的**原子光譜**或**發射光譜**。每個元素都有一個發射光譜，該發射光譜是該元素的特徵。換句話說，鈉的發射光譜始終保持一致，並且與任何其他元素（如鈣、氦或金）的發射光譜不同。
發射光譜對於科學家來說有兩個重要原因。首先，因為元素的發射光譜是該元素的特徵，科學家通常可以使用發射光譜來確定未知樣品中存在或不存在哪些元素。如果來自樣品的發射光譜包含與鈉發射光譜相對應的光線，那麼該樣品中含有鈉。你可能聽說或讀到過科學家討論某個遙遠恆星中存在哪些元素，聽到後，你可能想知道科學家如何知道一個無人到過的地方存在哪些元素。科學家透過分析來自恆星的光線並找到光線中元素的原子光譜來確定遙遠恆星中存在哪些元素。如果來自樣品的發射光譜包含與氦發射光譜相對應的光線，那麼該樣品中含有氦。其次，也許更重要的是，原子光譜的存在以及原子光譜是不連續的，可以告訴我們關於每個元素的原子結構的很多資訊。通常，元素的原子光譜是該元素原子內的電子和質子之間相互作用的結果。原子光譜與原子成分之間的關係將在下一節中討論。
- 當科學家使用“連續”一詞時，他們指的是沒有孔洞、沒有間隙和沒有斷裂的東西。
- 連續電磁光譜包含光譜開始和結束的波長之間的所有波長。
- 不連續電磁光譜是一個光譜，它在包含的波長方面包含間隙、孔洞或斷裂。
- 來自太陽的光，事實上，任何純白光源都會產生包含連續光譜波長的光。
- 白色本身並不是一種光色，而是當所有其他顏色的光混合在一起時產生的。
- 當電流或電火花透過元素時，元素會發出彩色光。這種光實際上是由不連續光譜發出的光組成的，該光譜對每個元素都是唯一的。
- 我們將透過元素通電產生的不連續光譜稱為該元素的原子光譜或發射光譜。
- 原子光譜可用於識別元素。它們還能告訴我們關於物質性質的很多資訊。
- 判斷以下每個光譜是連續的還是不連續的。
- 判斷以下每個語句是正確還是錯誤。
- (a) 白光波長為 760 奈米。
- (b) 鐵的原子光譜是不連續光譜的一個例子。
- (c) 氫的原子光譜是連續光譜的一個例子。
- 用“必須”、“可能”或“不會”填空。
- (a) 300 奈米到 500 奈米之間的連續光譜_____包含波長為 356 奈米的光。
- (b) 1000 釐米到 1.50 米之間的連續光譜_____包含波長為 1.234 米的光。
- (c) 234 毫米到 545 毫米之間的不連續光譜_____包含波長為 300 毫米的光。
- 在以下每個語句中選擇正確的詞語。
- (a) 532 奈米到 894 奈米之間的連續光譜包含所有波長（大於/小於）532 奈米和（大於/小於）894 奈米的光。
- (b) 532 奈米到 894 奈米之間的不連續光譜不包含所有波長在 532 奈米到 894 奈米之間的光，（包括/可能具有）波長為 650 奈米的光。
- 原子光譜的另一個名稱是什麼？
- 當電流透過氖氣時，它會發出_____光。
- 當電火花透過氬氣時，它會發出_____光。
- 當電流透過氦氣時，它會發出_____光。
- LED（發光二極體）透過電流透過不同原子（或分子）的混合物，然後利用它們的組合發射光譜來照亮房間或一串聖誕樹燈。為什麼白色 LED 很難以製造而且價格昂貴？
- 原子光譜（發射光譜）
- 當電流透過元素樣品時，元素髮射的獨特的不連續光譜。
- 連續電磁光譜
- 一個包含列表開頭和結尾波長之間所有可能光波長的光譜。在可見光範圍內，它是一個包含列表開頭和結尾顏色之間所有可能顏色的光譜。
- 不連續電磁光譜
- 一個包含指定範圍內某些但並非所有波長的光譜。在可見光譜中，存在間隙或缺少顏色。
- 純白光
- 所有可能光波長的連續光譜。
此材料改編自可在此處找到的原始 CK-12 書籍。此作品採用知識共享署名-相同方式共享 3.0 美國許可協議授權。