第1章　绪论

播撒光子，收获光子。当需要引起分子激发时，光子作为入射辐射是绿色的能源；当需要引起光化学反应以实现光化学剪裁时，光子又是绿色的化学试剂；当需要测量发射辐射时，光子作为次级的辐射是期望的产物。百余年来，人们观察小到包括原子、分子的微观世界，大到包括宇宙天体在内的宏观世界，主要手段就是观察光，收集光子（人们认识外部自然界，获取对客观世界的知识，其中有83%的信息是通过“光”获得的，即靠人的眼睛认识世界获得的信息更多）。

光谱（spectrum）是电磁辐射按照波长或频率的有序排列，各个辐射波长都具有相应的辐射强度。光谱学（spectroscopy）是光学的一个分支学科，它主要研究各种物质光谱产生的原理及其同其他物质之间的相互作用。

光谱测量法（spectrometry或spectrometric methods）是基于光的吸收、发射和散射等作用而建立的光学分析方法，即以电磁辐射作用于待测物质后所引起的物质特征能级跃迁与物质的结构或物质的某种物理量定性或定量相关为基础的分析方法。“炉火纯青”恐怕算得上最早或较早的实用波谱学了。通过光谱测量法可以洞悉微观世界（原子、分子结构：通过不同种类的光谱学的研究，可以从不同侧面得到原子、分子等的电子组态、能级结构、能级寿命、分子的几何形状、化学键的性质、反应动力学等多方面物质结构的信息；获取纳米材料相关的时空信息也同样需要光谱测量学），可以观察遥远的（时空）星际空间。此外，通过检测光谱的波长和光强度或它们的变化可以完成分析化学测量，即光谱学分析法（spectral analysis或analytical spectroscopy）——分为物质的定性分析方法和定量分析方法。荀子《劝学》中讲：“……登高而招，臂非加长也，而见者远；顺风而呼，声非加疾也，而闻者彰。假舆马者，非利足也，而致千里；假舟楫者，非能水也，而绝江河。君子生非异也，善假于物也。”所以，无论要看得更小或更大，更近或更远，也无论定性、定量测量，都摆脱不了有关光子的科学研究，都离不开光谱学或光谱学测量；也绕不开光谱学。

根据研究光谱方法的不同，习惯上把光谱学区分为吸收光谱学、发射光谱学与散射光谱学。荧光光谱和磷光光谱是典型的发射光谱，而瑞利光谱和拉曼光谱是典型的光散射光谱。但是，荧光光谱、磷光光谱和瑞利/拉曼光谱具有一些关键的共同特征：光子作为一种特殊的产物被获取，其现象都是与所“播撒”辐射相互作用后的次级光物理过程，可以认为都是一种次级光辐射现象。此外，共振散射光谱与荧光现象一样，都涉及本征态的电子能级。再有，荧光光谱和共振瑞利散射光谱利用相同的仪器——荧光光谱仪——测量。而原则上，一般的拉曼光谱仪和荧光光谱仪是可以互用的，激光拉曼光谱仪也可以测量荧光信号。

荧光、磷光和光散射光谱的主要区别是，光致发光（荧光和磷光）指分子吸收入射辐射后，使分子处于电子激发态，一定时间后，从激发态电子能级释放光子而辐射失活跃迁到基态或较低的激发态。发射光子的频率可以与入射光子的频率相同或不同。而一般散射光是分子与辐射相互作用到达非本征的虚拟态（较高振动态或转动态），并由此“释放”光辐射的过程。原则上，散射效应可以由任何频率的入射辐射产生。有学者认为，荧光过程涉及光子的完全吸收，而散射效应并没有真正吸收光子。但这种讲法是不完全妥当的，如共振散射效应其实也是真正吸收了光子的。此外，荧光过程涉及分子偶极矩的变化，拉曼过程仅由于光辐射的作用导致分子极化率发生改变，并由此产生诱导偶极矩，而瑞利散射并不需要分子极化率的变化。

基于上述讨论，将荧光、磷光和光散射光谱都看作发射光谱的范畴，并将它们集成在一起予以考虑是合理的。本书将突出分子发射光谱分析的基础性和前沿性、理论性和应用性、学术性和通俗性、确定性和开放性。作为分子发射光谱学的重要方面，本书将涵盖：荧光和磷光光物理基础；分子结构与发光光物理过程；溶剂效应和溶剂化动力学与发光光物理过程；质子转移、温度和黏度与发光光物理过程；电荷转移跃迁吸收和荧光光谱；溶液和异相介质的荧光猝灭；荧光偏振和各向异性；光散射现象和共振瑞利散射光谱、拉曼光谱分析原理和应用等。此外，由于纳米材料的重要性，也将专门介绍发光纳点的化学传感及其机理。

本章主要介绍荧光和磷光光谱的特点和发展简史，散射光谱的发展和特点将在第11、12章再介绍。