法医学概论 第二周Chemical Analysis in Forensic Science 第二课 Structure of the Atom

      微量分析的关键在于光谱法的应用，它的原理在于白炽光经过适当的介质的时候会分散成各种颜色，形成光谱。牛顿对这个现象进行过深入研究，鉴于技术局限，实验用的光肯定只能是阳光，不过随着技术的发展人们发现光谱有些奇怪，如图
 
                
                
       德国科学家Fraunhofer夫琅和费注意到这个光谱是不连续的，在光谱中，有不显眼的黑色线条。后来发现，这些黑线的存在是因为太阳大气层里面的元素，氢。当太阳光经穿过大气层的时候，氢吸收了特定波长的光，于是在特定的位置出现了这些黑线。但是有些黑线并不能和地球上已知的任何元素相匹配，天文学家Norman Lockyer诺曼·洛克耶于是提出太阳大气层里面有未知的元素存在，他命名为氦。氦也由此成为了第一个在地球之外被发现的元素。后来在地球的矿物中也发现了氦。
       随着技术的发展，人们的研究已经不仅仅局限于可见光了，广义的电磁波光谱都可用来工作。
                
                
        光谱法能够起作用，要从原子核开始说起。最开始在19世纪，对于原子的结构有了一个葡萄干蛋糕模型，它描述的是巨大的带正电荷的原子核上镶嵌着诸多的带负电的电子，后来这个模型被实验推翻。接着Rutherford卢瑟福提出了新的模型，质子和中子组成了原子核，正电，外围有着诸多的负电荷的电子围绕着原子核移动，他们之间有着空隙。但是这个模型也有着缺点，既然原子核正电，电子负电，他们应该会吸引并碰撞在一起而消失。所以此时丹麦的Niels Bohr尼尔斯·波尔出来了，他用了德国物理学家Max Planck马克思·普朗克的量子论，按照波尔的观点，电子并不能够在原子内随意移动，它们被一些特定的能级所限制着，这是因为能量是可以量子化的，能量的作用并不连续，它存在于很小的离散包中，这些小小的能量量子小到我们日常生活中根本注意不到，但是这些能量量子在分子或者原子尺度就很重要。所以电子被这些量子化的能量，也就是能级束缚着。不过电子依旧是可以从一个能级跃迁到两一个能级的，比如给电子足够的能量他们就能够跃迁到高一级的能级去，反过来高能级的电子释放能量就会从高能级掉落到低能级。这些被吸收或者释放的能量通常是以电磁辐射的形式存在的，有时候是以光的形式存在。吸收或者释放的能量必须严格满足两个能级之间的差值。根据the De Broglie equation德布罗意方程，能量的变化和电磁辐射的频率之间的关系可以满足一个简单的公式：E=hv。
       光谱检测的时候，你需要使用一束辐射，比如光，来通过样本，样本的旁边有个检测器。用不同的频率来扫描，光线并没有被吸收，直到你用符合能级差的光线频率扫描，光线被吸收，透过样品而出的光线强度下降，随着频率的改变，光线不再被吸收，探测器测得的光线强度和原来一样。被吸收的特定频率的光线就像光谱中的黑线一样。而吸收了能量跃迁到更高级的电子此时处于激发态Excited State。每一种元素的电子能级跃迁所需要的能量值是不一样的，所以知道了这个能量值就能知道这是什么元素。给一个样本的电子能量，变成激发态，当电子释放能量回到较低能级变成基态Ground State的时候就会发光。
       来一个例子，比如氢气。给一团氢气通电使其处于激发态，当它从激发态恢复原样的时候，就会发光，把这些释放出来的光通过棱镜得到一个图谱。图谱整体几乎都是黑色的，但伴随着特定颜色的线是符合能级差的。以氢原子为例，氢原子的图谱和夫琅和费的太阳光谱比较的话，就会看到氢原子光谱色线和夫琅和费的太阳光谱中的黑线相符。这些谱线是由于氢原子吸收所造成的。
                
                
        所以这里有两种互补的技术，一是吸收光谱，给样本吸收能量，观察被特定的原子吸收的光的类型。或者使用发射光谱，待激发态的样本恢复到基态的时候观察那种类型的光被激发。
       在波尔的模型里面，每一个原子都有一系列能级，所以我们要了解多种方式的能量释放和吸收。于是每一个电子都能有多种能级的跃迁，所造成的光谱里面的线都也就仅仅是一条。另外，每一个元素也不一样，所以特定的元素的特征图谱是来自其多样的能量等级的排列组合。就像指纹。
        焰色反应可以很容易看到这个现象，把金属盐用来燃烧就可以有很多不同的颜色出现，这种现象我们经常见到，每年看到的烟花就是用不同的金属盐来燃烧的嘛。
       P.S玻尔的原子模型用得应该比较少了，把电子看做是一团云弥漫在四周，按照波函数的支配飘散在空间中的模型也许用得较多吧。