走進光譜之見所未見
——從牛頓說起

文/湯玉美（合肥固達信息科技有限公司）

一、引言

1666 年，牛頓在研究光的特性時發(fā)現(xiàn)，太陽光經(jīng)過三棱鏡會變成彩色光（見圖1 和圖2）。據(jù)此，他推測太陽光是由不同顏色的光組成。他把這種現(xiàn)象稱為“散射”，把七色光稱為太陽的光譜。

圖1 太陽光經(jīng)三棱鏡折射實驗

圖2 光的色散示意圖

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

二、光譜的特性

1.不同物質(zhì)的光譜各不相同

光譜有一個特性，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用的原因所在。舉個例子，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“成績光譜”（見圖3），也就是單科成績，就會發(fā)現(xiàn)，小明學習有點偏科，小紅的學習則比較均衡。

圖3 小明和小紅的“成績光譜”

同樣，如果我們對太陽的光譜進行仔細分析后就會發(fā)現(xiàn)，太陽的光譜并不是連續(xù)的紅橙黃綠青藍紫，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，科學家推斷出太陽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)的多少決定光譜的強弱

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

同樣以成績光譜舉例（見圖3），如果能夠得到單科成績的具體分數(shù)，我們就可以知道，小明的語文成績徘徊在及格線附近，因此他的語文學習方法上可能有比較大的問題。

同樣，科學家們通過太陽光譜上的暗線的深淺程度，判斷出來太陽上氫元素的含量為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的速度，科學家們就可以推斷出太陽還可以繼續(xù)燃燒50 億年。因此，地球在“流浪”之前，還有50 億年的準備時間。

三、光譜的作用

上面對光譜的特性進行了一個簡單的說明，基于這兩個特性，光譜被廣泛應用。

1.科學研究

NASA 通過緊湊型火星勘測成像光譜儀（CRISM）對火星表面進行光譜探測，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 火星表面光譜探測成像

2.地質(zhì)勘察

通過光譜可以對不同的地形地貌進行自動劃分，包括對礦產(chǎn)資源的勘探（見圖6）。比如在20 世紀80 年代中期，光譜技術為我國發(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)

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

圖7 中國大白菜和日本大白菜的光譜成像

4.環(huán)境監(jiān)測

通過紅外光譜可以區(qū)分不同的氣體，對污染源進行實時監(jiān)控，實現(xiàn)對工業(yè)窯爐排放的有毒有害氣體進行定性定量分析（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，記錄物料反射的紅外光譜信息，進而對物料的種類進行判斷，可應用于城市生活垃圾精選系統(tǒng)中對廢舊塑料、紙張等循環(huán)利用價值較高的物料進行精細分選回收（見圖9）。

圖9 塑料制品的光譜成像

6.軍事領域

通過地表土壤光譜特征的分析，可以對地雷埋藏地點進行探測（見圖10）。

圖10 地雷埋藏地地表土壤光譜特征

四、結(jié)論

光譜目前已廣泛應用于科學研究、地質(zhì)勘察、農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測、垃圾分揀、軍事等多個領域，應用前景廣闊，是一種具有很大潛力的新技術。