走进光谱之见所未见——从牛顿说起

文/汤玉美（合肥固达信息科技有限公司）

一、引言

1666 年，牛顿在研究光的特性时发现，太阳光经过三棱镜会变成彩色光（见图1 和图2）。据此，他推测太阳光是由不同颜色的光组成。他把这种现象称为“散射”，把七色光称为太阳的光谱。

图1 太阳光经三棱镜折射实验

图2 光的色散示意图

上面这种对光谱的理解虽然不算太准确，但是和光谱的定义“光谱是复色光经过色散系统分光后，被色散开的单色光形成的图案”也相去不远。

二、光谱的特性

1.不同物质的光谱各不相同

光谱有一个特性，即不同物质的光谱各不相同。这一特性是光谱能够得以广泛应用的原因所在。举个例子，虽然小明和小红在期末考试中都拿到了3 科240 的总分，但如果分析一下小明和小红的“成绩光谱”（见图3），也就是单科成绩，就会发现，小明学习有点偏科，小红的学习则比较均衡。

图3 小明和小红的“成绩光谱”

同样，如果我们对太阳的光谱进行仔细分析后就会发现，太阳的光谱并不是连续的红橙黄绿青蓝紫，而是在特定位置有几条暗线。而这几条暗线恰好和氢的吸收光谱相吻合（见图4）。由此，科学家推断出太阳中含有大量的氢元素。

图4 氢的明线光谱和吸收光谱示意图

2.物质的多少决定光谱的强弱

通过光谱的第一个特性，科学家可推断出太阳是由氢、氦以及其他60 多种化学元素组成。但是科学家们可以通过光谱的第二个特性知道更多信息。

同样以成绩光谱举例（见图3），如果能够得到单科成绩的具体分数，我们就可以知道，小明的语文成绩徘徊在及格线附近，因此他的语文学习方法上可能有比较大的问题。

同样，科学家们通过太阳光谱上的暗线的深浅程度，判断出来太阳上氢元素的含量为81.76%，氦元素的含量为18.71%。根据两种元素的占比和核聚变反应的速度，科学家们就可以推断出太阳还可以继续燃烧50 亿年。因此，地球在“流浪”之前，还有50 亿年的准备时间。

三、光谱的作用

上面对光谱的特性进行了一个简单的说明，基于这两个特性，光谱被广泛应用。

1.科学研究

NASA 通过紧凑型火星勘测成像光谱仪（CRISM）对火星表面进行光谱探测，发现火星上存在含盐液态水的存在。其根据就是图5(a)中的方框位置的光谱曲线，即5(b)中的黑线，与红色的高氯酸镁的曲线十分吻合。

图5 火星表面光谱探测成像

2.地质勘察

通过光谱可以对不同的地形地貌进行自动划分，包括对矿产资源的勘探（见图6）。比如在20 世纪80 年代中期，光谱技术为我国发现金矿等矿藏起到了重要的作用。

图6 不同地形地貌的光谱成像示意图

3.农业

通过光谱可以区分不同的作物，甚至可以区分中国大白菜和日本大白菜（见图7）。

图7 中国大白菜和日本大白菜的光谱成像

4.环境监测

通过红外光谱可以区分不同的气体，对污染源进行实时监控，实现对工业窑炉排放的有毒有害气体进行定性定量分析（见图8）。

图8 傅里叶变换红外光谱遥感成像

5.垃圾分拣

基于红外光谱成像技术，记录物料反射的红外光谱信息，进而对物料的种类进行判断，可应用于城市生活垃圾精选系统中对废旧塑料、纸张等循环利用价值较高的物料进行精细分选回收（见图9）。

图9 塑料制品的光谱成像

6.军事领域

通过地表土壤光谱特征的分析，可以对地雷埋藏地点进行探测（见图10）。

图10 地雷埋藏地地表土壤光谱特征

四、结论

光谱目前已广泛应用于科学研究、地质勘察、农业、环境监测、垃圾分拣、军事等多个领域，应用前景广阔，是一种具有很大潜力的新技术。