雨后出现的彩虹空是人类经常观测到的自然光谱。真正意义上对光谱的研究始于英国科学家牛顿。1666年，牛顿证明了一束白光可以分成一系列不同颜色的可见光，这一系列光投射到屏幕上就呈现出一条从紫色到红色的光带。牛顿进口& ldquo频谱& rdquo用(频谱)这个词来描述这种现象。牛顿的研究标志着光谱科学的开始。从牛顿开始，人类对光的认识逐渐从可见光扩展到红外和紫外区域。1800年，英国科学家w·赫歇尔将来自太阳的辐射合成了一个与牛顿大致相同的光谱，然后让一个温度计穿过不同颜色的光，并使用另一个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端移动到红端时，温度计的读数逐渐增加。特别令人惊讶的是，当温度计移动到红端以外的区域时，温度计上的读数达到最高。这个实验的结果有两层含义。第一，除了可见光区域的红端，还有其他不可见的辐射区域。其次，这种辐射可以产生热量。这种光线被称为红外线，因为它存在于可见光区域的末端之外。(1801年，德国科学家J.W .里特在考察太阳光谱的另一端，即紫端时，发现紫端以外的区域存在某种能量，可以使AgCl产生化学反应。这个实验导致了紫外线的发现。1881年，阿布尼和费斯廷首次使用红外线来研究分子结构。他们的Hilger光谱仪拍摄了46种有机液体从0.7到1.2微米的红外吸收光谱。由于该仪器探测器的限制，能够记录的光谱波长范围非常有限。随后的突破是测辐射热计的发明。1880年，天文学家兰利在研究太阳和其他行星发出的热辐射时，发明了一种探测装置。该设备由一根细导线和一个线圈连接，当热辐射到达导线时，它可以引起导线电阻的非常小的变化。并且这种变化的幅度与入射辐射的幅度成正比。这是测辐射热计的核心部分。该仪器突破了摄影的限制，可以在更宽的波长范围内探测分子的红外光谱。利用NaCl作为棱镜，测辐射热计作为探测器，瑞典科学家Angstrem首次记录了分子的基本振动频率(从基态到第一激发态)。1889年，Angstrem首次证明，虽然CO和CO2是由碳原子和氧原子组成的，但由于它们是不同的气体分子，所以具有不同的红外光谱。这个实验最根本的意义在于，它表明了红外吸收的来源是分子而不是原子。分子光谱学的整个主题就是基于这一点。朱利叶斯很快发表了20种有机液体的红外光谱，并将吸收带指向3000cm-1，作为甲基的特征吸收峰。这是科学家首次将分子的结构特征与光谱吸收峰的位置直接联系起来。图1是液态水和重水的红外光谱，主要是近红外部分。在图中可以观察到，水分子在739和970nm处有吸收峰，这些峰在可见区的红端之外。由于氢键作用，液态水的红外光谱要比气态水复杂得多。红外光谱仪的发展可以追溯到20世纪初。1908年，Coblentz以氯化钠晶体为棱镜制备并应用了红外光谱。1910年，Wood和Trowbridge6开发了一种小型梯形光栅红外光谱。1918年，斯莱托和兰德尔开发了一种高分辨率仪器。在20世纪40年代，研究了双光束红外光谱。1950年，美国PE公司开始商业化生产双光束红外光谱，命名为Perkin-Elmer 21。与单光束光谱仪相比，双光束红外光谱仪不需要经过专门训练的光谱仪进行操作，可以快速获得光谱图。因此，Perkin-Elmer 21在美国迅速畅销。Perkin-Elmer 21的问世极大地促进了红外光谱仪的普及。现代红外光谱是一种基于傅里叶变换的仪器。这种仪器不是用棱镜或光栅分光，而是用干涉仪得到干涉图，用傅里叶变换把以时间为变量的干涉图转换成以频率为变量的光谱图。红外光谱仪的出现是一次革命性的飞跃。与传统仪器相比，傅里叶红外光谱仪具有速度快、信噪比高、分辨率高等特点。更重要的是，傅里叶变换催生了许多新技术，如步进扫描、时间分辨、红外成像等。这些新技术极大地拓宽了红外的应用领域，使红外技术的发展有了质的飞跃。如果采用分光的方法，这些技术是无法实现的。这些技术的出现极大地拓宽了红外技术的应用领域。它是利用红外成像技术获得的地球表面温度分布和地球大气中水汽含量的分布图。没有傅里叶变换技术，是不可能得到这样的图像的。图1.2 Perkin-Elmer 21双光束的红外光谱。该仪器由美国Perkin-Elmer公司于1950年制造，是最早商业化生产的双光束红外光谱仪。红外光谱的理论解释是基于量子力学和群论。1900年，普朗克在研究黑体辐射问题时，给出了著名的普朗克常数H，表示能量的不连续性。量子力学从此登上了历史舞台。1911年，W能斯特指出分子振动和转动的不连续性是量子理论的必然结果。1912年，丹麦物理化学家尼尔斯·比耶鲁姆(Niels Bjerrum)提出HCl分子的振动是带负电荷的Cl核与带正电荷的H原子之间的相对位移。分子能量由平动、转动和振动组成，转动能量被量子化的理论被称为旧量子理论或半经典量子理论。后来矩阵、群论等数学物理方法应用于分子光谱理论。随着现代科学的不断发展，分子光谱理论也在不断发展和完善。分子光谱学的理论和应用研究仍处于发展阶段。多维分子光谱的理论和应用是研究方向之一。