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走进光谱之见所未见
——从牛顿说起

2021-04-06汤玉美合肥固达信息科技有限公司

安徽科技 2021年3期
关键词:暗线大白菜光谱

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。

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