走進(jìn)光譜之見所未見
——從牛頓說(shuō)起

文/湯玉美（合肥固達(dá)信息科技有限公司）

一、引言

1666 年，牛頓在研究光的特性時(shí)發(fā)現(xiàn)，太陽(yáng)光經(jīng)過(guò)三棱鏡會(huì)變成彩色光（見圖1 和圖2）。據(jù)此，他推測(cè)太陽(yáng)光是由不同顏色的光組成。他把這種現(xiàn)象稱為“散射”，把七色光稱為太陽(yáng)的光譜。

圖1 太陽(yáng)光經(jīng)三棱鏡折射實(shí)驗(yàn)

圖2 光的色散示意圖

上面這種對(duì)光譜的理解雖然不算太準(zhǔn)確，但是和光譜的定義“光譜是復(fù)色光經(jīng)過(guò)色散系統(tǒng)分光后，被色散開的單色光形成的圖案”也相去不遠(yuǎn)。

二、光譜的特性

1.不同物質(zhì)的光譜各不相同

光譜有一個(gè)特性，即不同物質(zhì)的光譜各不相同。這一特性是光譜能夠得以廣泛應(yīng)用的原因所在。舉個(gè)例子，雖然小明和小紅在期末考試中都拿到了3 科240 的總分，但如果分析一下小明和小紅的“成績(jī)光譜”（見圖3），也就是單科成績(jī)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，小明學(xué)習(xí)有點(diǎn)偏科，小紅的學(xué)習(xí)則比較均衡。

圖3 小明和小紅的“成績(jī)光譜”

同樣，如果我們對(duì)太陽(yáng)的光譜進(jìn)行仔細(xì)分析后就會(huì)發(fā)現(xiàn)，太陽(yáng)的光譜并不是連續(xù)的紅橙黃綠青藍(lán)紫，而是在特定位置有幾條暗線。而這幾條暗線恰好和氫的吸收光譜相吻合（見圖4）。由此，科學(xué)家推斷出太陽(yáng)中含有大量的氫元素。

圖4 氫的明線光譜和吸收光譜示意圖

2.物質(zhì)的多少?zèng)Q定光譜的強(qiáng)弱

通過(guò)光譜的第一個(gè)特性，科學(xué)家可推斷出太陽(yáng)是由氫、氦以及其他60 多種化學(xué)元素組成。但是科學(xué)家們可以通過(guò)光譜的第二個(gè)特性知道更多信息。

同樣以成績(jī)光譜舉例（見圖3），如果能夠得到單科成績(jī)的具體分?jǐn)?shù)，我們就可以知道，小明的語(yǔ)文成績(jī)徘徊在及格線附近，因此他的語(yǔ)文學(xué)習(xí)方法上可能有比較大的問(wèn)題。

同樣，科學(xué)家們通過(guò)太陽(yáng)光譜上的暗線的深淺程度，判斷出來(lái)太陽(yáng)上氫元素的含量為81.76%，氦元素的含量為18.71%。根據(jù)兩種元素的占比和核聚變反應(yīng)的速度，科學(xué)家們就可以推斷出太陽(yáng)還可以繼續(xù)燃燒50 億年。因此，地球在“流浪”之前，還有50 億年的準(zhǔn)備時(shí)間。

三、光譜的作用

上面對(duì)光譜的特性進(jìn)行了一個(gè)簡(jiǎn)單的說(shuō)明，基于這兩個(gè)特性，光譜被廣泛應(yīng)用。

1.科學(xué)研究

NASA 通過(guò)緊湊型火星勘測(cè)成像光譜儀（CRISM）對(duì)火星表面進(jìn)行光譜探測(cè)，發(fā)現(xiàn)火星上存在含鹽液態(tài)水的存在。其根據(jù)就是圖5(a)中的方框位置的光譜曲線，即5(b)中的黑線，與紅色的高氯酸鎂的曲線十分吻合。

圖5 火星表面光譜探測(cè)成像

2.地質(zhì)勘察

通過(guò)光譜可以對(duì)不同的地形地貌進(jìn)行自動(dòng)劃分，包括對(duì)礦產(chǎn)資源的勘探（見圖6）。比如在20 世紀(jì)80 年代中期，光譜技術(shù)為我國(guó)發(fā)現(xiàn)金礦等礦藏起到了重要的作用。

圖6 不同地形地貌的光譜成像示意圖

3.農(nóng)業(yè)

通過(guò)光譜可以區(qū)分不同的作物，甚至可以區(qū)分中國(guó)大白菜和日本大白菜（見圖7）。

圖7 中國(guó)大白菜和日本大白菜的光譜成像

4.環(huán)境監(jiān)測(cè)

通過(guò)紅外光譜可以區(qū)分不同的氣體，對(duì)污染源進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)窯爐排放的有毒有害氣體進(jìn)行定性定量分析（見圖8）。

圖8 傅里葉變換紅外光譜遙感成像

5.垃圾分揀

基于紅外光譜成像技術(shù)，記錄物料反射的紅外光譜信息，進(jìn)而對(duì)物料的種類進(jìn)行判斷，可應(yīng)用于城市生活垃圾精選系統(tǒng)中對(duì)廢舊塑料、紙張等循環(huán)利用價(jià)值較高的物料進(jìn)行精細(xì)分選回收（見圖9）。

圖9 塑料制品的光譜成像

6.軍事領(lǐng)域

通過(guò)地表土壤光譜特征的分析，可以對(duì)地雷埋藏地點(diǎn)進(jìn)行探測(cè)（見圖10）。

圖10 地雷埋藏地地表土壤光譜特征

四、結(jié)論

光譜目前已廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究、地質(zhì)勘察、農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、垃圾分揀、軍事等多個(gè)領(lǐng)域，應(yīng)用前景廣闊，是一種具有很大潛力的新技術(shù)。