任务2.2
光与物质的相互作用

2.2.1 色光的互补

1665 年，科学家牛顿（Isaac Newton）让一束太阳光通过玻璃三棱镜后投射到光屏上，得到了按照红、橙、黄、绿、青、蓝、紫的顺序排列的光谱，证实了白光是由上述各种颜色的光组成的。如果将上述颜色的光以一定比例混合后，也能获得白光。进一步研究证明，两种适当颜色的光以一定比例混合后也能得到白光。

（1）互补色光

若两种不同颜色的光以一定比例混合能得到白光，则称这两种颜色光为互补色光，这种现象称为色光的互补。不同颜色光的互补色光详见表 2.2。

（2）单色光和复合光

单一波长（频率）的光，称为单色光。由两种或两种以上波长（频率）的光组合而成的光，称为复合光，如太阳光。在日常生活中，人们所能看到的其他白光，如白炽灯光、闪电光、电弧光等，它们都是复合光。

2.2.2 物质的颜色

当一束可见光照射到物质上时，一部分光被吸收，一部分被透过，我们所看到物质的颜色实质上是透过光所表现出的颜色。以硫酸铜溶液为例，当一束白光照射到硫酸铜溶液上时，硫酸铜溶液吸收了白光这组复合光中的黄色光，因黄色光和蓝色光是互补色光，黄色光被吸收，而蓝色光被透过，所以看到的硫酸铜溶液是蓝色的。同样地，高锰酸钾溶液是紫色的，是因为它吸收了紫色光的互补色光绿色光。水是无色的，是因为它几乎不吸收光，光全部被透过。

物质的颜色由物质与光的相互作用方式决定，不同物质吸收不同波长的光，即物质对光的吸收是具有选择性的。由于物质选择性吸收了不同波长的光而表现出不同的颜色。物质的颜色实质是它所吸收光的互补色光的颜色。

2.2.3 光与物质的相互作用

光与物质相互接触时，就会与物质相互作用，作用的性质随光的波长（能量）及物质的性质而异。相互作用有吸收、发射、散射、折射、反射、衍射、干涉、偏振等方式，其中，在光学分析法中应用最广泛的是物质对光的吸收与发射。

1）光的吸收

当光辐射与物质接触时，某些频率的光被选择性吸收并使其强度减弱，这种现象称为物质对光的吸收。光被物质吸收的实质就是光辐射的能量已转移到物质的分子或原子中去了。这样，某些频率的光减少或消失，而物质内部的能量增加了，即物质中的分子或原子由能量较低的状态（基态）上升为能量较高的状态（激发态）。

不同物质具有不同结构，构成各物质的微粒（分子、原子、离子）具有各自的特征能级，物质受到光照射时，其中某些光子的能量与物质中微粒的能级差（Δ E ）相同时，便能被吸收，并从能量较低状态（通常为基态）跃迁至能量较高状态（激发态）。被吸收的光子的能量或频率可以通过普朗克公式求得

hν ＝Δ E ＝ E - E ₀

M（基态）＋ hν →M ^* （激发态）

式中 E ——物质激发态能量；

E ₀ ——物质基态能量，eV。

这说明物质只能吸收能量等于其特征能级差的光，不同物质的组成、结构不同，它们所对应的特征能级差也不同。因此，所吸收的光的颜色和波长也不同，这就是物质对光的选择性吸收的实质。

物质对光的吸收产生的光谱称为吸收光谱。由于各种物质所具有的能级数目和能级间的能量差不同，它们所吸收的光的波长和强度不同，具有各自的特征吸收光谱，根据这些特征光谱，可进行定性分析，而吸收光谱强度的大小可作为定量分析的依据。

2）光的发射

物质的粒子吸收能量后，从低能态（一般为基态）跃迁至高能态（激发态），处于激发态的粒子是不稳定的，在短暂的时间内（约 10 ^-8 s）内又从激发态跃回基态。物质从激发态跃迁至低能态或基态可以不同形式释放出能量，在此过程中，若以光辐射的形式释放出多余的能量，这种现象称为光的发射。按其发生的本质，可分为原子发射、分子发射及X射线等。

M ^* （激发态）→M（基态）＋ hν

物质对光的发射产生的光谱叫发射光谱。由于不同原子或分子的能级不同，其发射的光谱各不相同，具有各自的特征发射光谱。利用这些特征光谱，可以进行定性分析，而发射光谱强度的大小可作为定量分析的依据。 U92jx9NQiMGmDDGQ0SbJlv3BTMhUjj74QqRgUvQTtkIm2sR29qVNvbJxG34AQ7Ei