红外光谱发展史雨后天空出现的彩虹,是人类经常观测到的自然光谱而真正意义上对光谱的 研究是从英国科学家牛顿(Newton) 开始的1666年牛顿证明一束白光可分为一 系列不同颜色的可见光,而这一系列的光投影到一个屏幕上出现了一条从紫色到红 色的光带牛顿导入“光谱”(spectrum) —词来描述这一现象.牛顿的研究是光谱 科学开端的标志从牛顿之后人类对光的认识逐渐从可见光区扩展到红外和紫外区 .1800 年英 国科学家 W. Herschel 将来自太阳的辐射构成一副与牛顿大致相同的光谱,然后将 一支温度计通过不同颜色的光 ,并且用另外一支不在光谱中的温度计作为参考他 发现当温度计从光谱的紫色末端向红色末端移动时,温度计的读数逐渐上升特别 令人吃惊的是当温度计移动到红色末端之外的区域时,温度计上的读数达到最高 . 这个试验的结果有两重含义,首先是可见光区域红色末端之外还有看不见的其他辐 射区域存在,其次是这种辐射能够产生热由于这种射线存在的区域在可见光区末 端以外而被称为红外线1801 年德国科学家 J.W. Ritter 考察太阳光谱的另外一 端,即紫色端时发现超出紫色端的区域内有某种能量存在并且能使 AgCl 产生化学 反应,该试验导致了紫外线的发现。
1881年Abney和Fes ting第一次将红外线用于分子结构的研究他们Hilger 光谱仪拍下了 46 个有机液体的从 0.7 到 1.2 微米区域的红外吸收光谱由于这种 仪器检测器的限制,所能够记录下的光谱波长范围十分有限随后的重大突破是测 辐射热仪的发明1880 年天文学家 Langley 在研究太阳和其他星球发出的热辐射时 发明一种检测装置该装置由一根细导线和一个线圈相连 ,当热辐射抵达导线时能 够引起导线电阻非常微小的变化而这种变化的大小与抵达辐射的大小成正比这 就是测辐射热仪的核心部分用该仪器突破了照相的限制 ,能够在更宽的波长范围 检测分子的红外光谱 .采用 NaCl 作棱镜和测辐射热仪作检测器,瑞典科学家红外光谱发展史 Angstrem 第一次记录了分子的基本振动(从基态到第一激发态)频率 1889 年 Angstrem首次证实尽管CO和C02都是由碳原子和氧原子组成,但因为是不同的气 体分子而具有不同的红外光谱图这个试验最根本的意义在于它表明了红外吸收产 生的根源是分子而不是原子.而整个分子光谱学科就是建立在这个基础上的不久 Julius发表了 20个有机液体的红外光谱图,并且将在3000cm—1的吸收带指认为甲 基的特征吸收峰。
这是科学家们第一次将分子的结构特征和光谱吸收峰的位置直接 联系起来图1是液体水和重水部分红外光谱图,主要为近红外部分图中可观察 到水分子在739和970nm处有吸收峰存在,这些峰都处在可见光区红色一端之外 由于氢键作用,液体水的红外光谱图比气态水的谱图要复杂得多红外光谱仪的研制可追溯的20世纪初期1908年Coblentz制备和应用了用 氯化钠晶体为棱镜的红外光谱议;1910年Wood和Trowbridge6研制了小阶梯光 栅红外光谱议;1918年Slea tor和Randall研制出高分辨仪器20世纪40年代 开始研究双光束红外光谱议 1950 年由美国 PE 公司开始商业化生产名为 Perkin-Elmer 21的双光束红外光谱议与单光束光谱仪相比,双光束红外光谱议 不需要由经过专门训练的光谱学家进行操作,能够很快的得到光谱图因此 Perkin-Elmer 21很快在美国畅销Perkin-Elmer 21的问世大大的促进了红外光 谱仪的普及现代红外光谱议是以傅立叶变换为基础的仪器.该类仪器不用棱镜或者光栅分 光,而是用干涉仪得到干涉图,采用傅立叶变换将以时间为变量的干涉图变换为以 频率为变量的光谱图.傅立叶红外光谱仪的产生是一次革命性的飞跃。
与传统的仪 器相比,傅立叶红外光谱仪具有快速、高信噪比和高分辨率等特点.更重要的是傅 立叶变换催生了许多新技术,例如步进扫描、时间分辨和红外成像等这些新技术 大大的拓宽了红外的应用领域,使得红外技术的发展产生了质的飞跃如果采用分 光的办法,这些技术是不可能实现的这些技术的产生,大大的拓宽了红外技术的红外光谱发展史 应用领域. 是用红外成像技术得到的地球表面温度分布和地球大气层中水蒸气含 量图没有傅立叶变换技术,不可能得到这样的图像2 Perkin—Elmer 21双 光束红外光谱议该仪器是由美国Perkin-Elmer公司1950开始制造,是最早期商 业化生产的双光束红外光谱议.红外光谱的理论解释是建立在量子力学和群论的基础上的1900 年普朗克在 研究黑体辐射问题时,给出了著名的Plank常数h,表示能量的不连续性量子 力学从此走上历史舞台1911年WNernst指出分子振动和转动的运动形态的不连 续性是量子理论的必然结果1912年丹麦物理化学家Niels Bjerrum提出HCI分 子的振动是带负电的Cl原子核带正电的H原子之间的相对位移分子的能量由平 动、转动和振动组成,并且转动能量量子化的理论,该理论被称为旧量子理论或者 半经典量子理论.后来矩阵、群论等数学和物理方法被应用于分子光谱理论.随着现 代科学的不断发展,分子光谱的理论也在不断的发展和完善。
分子光谱理论和应用 的研究还在发展之中.多维分子光谱的理论和应用就是研究方向之一。