什麼是光譜儀？用途、結構與運作原理

什麼是光譜儀？

光譜儀是一種光學量測設備，用於將複雜光線分析為單色成分由於能精確判定化學成分，廣泛應用於實驗室、工業生產及品質檢驗。

光譜儀由哪些主要部件組成？

光譜儀包含以下部件：

• 準直管：將狹縫射出的光轉為平行光束。
• 色散系統（兩個稜鏡）：將光分離為單色波長。
• 成像室：接收並分析光譜（亦稱觀察管／暗室）。

光譜儀的運作原理為何？

設備的原理是色散現象－將白光分離為單色光譜帶（紅、橙、黃等）。稜鏡對不同波長的折射率不同，可協助判定物質成分。

光譜儀在工業、醫療與研究的應用

• 合金成分分析（鋼材、鋁材品質檢查）。
  • 光譜儀可判定材料中的成分含量，減少分析所需時間與人力。
  • 這是光譜儀最重要的應用之一，尤其適合研究與調查。
• 檢測有害雜質（食品包裝、藥品）。
  • 可輕易測定樣品中的成分含量。
  • 因此可檢出有害成分。許多品質管理人員會將此技術用於食品包裝材料的品質檢驗。
• 新材料研究（太陽能、奈米材料）。
  • 在科學研究中，科學家曾透過光譜儀發現太陽表面的氦，甚至早於地球上確認其存在。
  • 人們也因此了解，太陽光呈現的是吸收線光譜。

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光譜種類

基本光譜分為三種：

1. 連續光譜
2. 發射線光譜
3. 吸收線光譜

連續光譜

連續光譜（Continuous Spectrum）是顏色從紅到紫連續變化的光帶。

根據Wikipedia連續光譜是能量或波長等物理量可能值的集合，可視為連續的實數區間；離散光譜則是彼此有明確間隔的離散值。

當離散光譜的值彼此過於接近而難以區分時（如晶體中的聲子），連續光譜模型可作為便利的近似。

在量子系統中，連續光譜通常與自由粒子有關，例如氣體中的原子、電子束中的電子，或金屬導帶中的電子。

也就是說，自由粒子的位置與動量具有連續光譜；若粒子受限於有限空間，光譜則會變成離散形式。

發射線光譜

發射線光譜（Emission Spectrum）是在暗色背景上呈現分離色線的光譜。

每種元素都有其特徵發射光譜，發射線的顏色也各不相同。

利用此特性可辨識化合物中的化學物質。

與吸收線光譜相同，發射線光譜也透過分析色線位置來辨識元素。

吸收光譜

吸收光譜（Absorption Spectrum）是在連續光譜背景上呈現暗色譜線的光譜。

簡單來說，吸收光譜是在連續光譜背景上出現暗線。

白光穿過溫度低於光源的氣體或蒸氣時，便會產生此類光譜。

最常使用的三種光譜儀

稜鏡光譜儀

此類設備用於將複雜光線分解為不同單色成分。

稜鏡光譜儀的結構相對簡單，主要包含三個部件：

• 準直管
• 色散系統
• 成像室

稜鏡光譜儀的運作步驟如下：

1. 將光束照射至稜鏡光譜儀的狹縫 F。
2. 透過透鏡 L1，將光轉為平行光束。
3. 平行光通過稜鏡後會分成兩束顏色不同、偏折方向也不同的平行光。

光譜儀X 射線螢光（XRF）

此類設備常用於分析材料中的元素成分。

• 應用：「貴金屬、礦物分析，以及電子產品 RoHS 檢查。

X 射線螢光光譜儀依下列步驟運作：

1. 將 X 射線照射至物體。
2. 部分 X 射線會被吸收，其餘則穿透物體。
3. 吸收與穿透程度取決於物體的化學成分及厚度。

雷射光譜儀（LIBS）

LIBS 技術使用雷射使樣品汽化，材料中的原子受到激發後，會發出各元素特有的光訊號。

感測器辨識光訊號特徵並傳送至分析儀，再由分析儀判定金屬的化學性質與結構。

最後，分析儀將元素比例與成分和資料庫比對，快速確認合金。

例如：「Vulcan 使用 LIBS 技術檢查飛機製造用合金。」

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