Spectroscopy - bunkougaku (English spelling) spectroscopy

A field of study that deals with spectra. In the narrow sense, a spectrum is a band of colors created by breaking down and dispersing light waves according to their wavelengths. In 1666, Newton of England opened a small hole (approximately 8 mm in diameter) in a window, placed a prism in the light path, and observed the band of colors projected onto the white wall on the opposite side. He named this band of light a spectrum. If the hole is replaced with a slit and an image is formed using a lens, the color separation can be made even more detailed. In 1802, Wollaston of England observed several black lines in the spectrum of sunlight using this method and considered them to be color boundaries. Later, Fraunhofer of Germany used a particularly precise device to discover (1814) that the black lines were sharp absorption lines that appeared in the continuous spectrum of sunlight, and named them A to G. Many more absorption lines have been found in the solar spectrum since then, and these are also called Fraunhofer lines. The wavelengths of Fraunhofer lines were later accurately measured by the Swedish physicist Angstrom, who created a table of wavelengths in units of 10 billionths of a meter, and the wavelength of light thereafter came to be expressed in this unit (angstrom, symbol Å).

Each substance emits or absorbs spectral lines with a specific wavelength. Spectroscopy, which utilizes this property as spectral analysis, became important in scientific research when the German physicist Kirchhoff and chemist Bunsen jointly discovered the new element cesium in 1860 and rubidium the following year. These elements are so similar in chemical properties to other alkali metals that it was difficult to separate them using chemical methods, but because they each have spectral lines with different wavelengths, spectroscopy made it easy to confirm that they were new elements. The range of light was later expanded beyond visible light to include all electromagnetic waves, including ultraviolet, infrared, X-rays, and microwaves, and the means of observing them based on completely different principles came to be used. For example, Geiger-Muller counters and proportional counters are used as detectors for X-rays and gamma rays, and diodes are used to detect microwaves.

When spectroscopy was studied as a branch of physics, it was not limited to investigating the components and distribution of electromagnetic waves, but also became an important means of studying the structure and mechanism of materials that emit and absorb electromagnetic waves. Then, depending on the subject of study, it was classified into atomic spectrum, molecular spectrum, solid spectrum, atomic nucleus spectrum, etc., and each academic field developed. The spectrum emitted from an atom is made up of many emission lines and is called an emission line spectrum. Molecular spectra, except for particularly light molecules such as hydrogen molecules, are generally observed as broad emission or absorption spectra that spread out like a band, so they are called band spectra. However, when observed with a spectrometer with very high resolution, band spectra are also found to be composed of many line spectra aligned according to a certain rule. This is because the energy of molecular vibrations and rotations is also quantized and can only take discrete values. In contrast, the spectrum of a solid is often made up of broad emission or absorption bands that cannot be resolved. This is because the number of atoms and ions involved in a solid is so large that it is almost countless. In any case, observing the spectrum provides information about the arrangement and movement of electrons and atomic nuclei in a substance, so spectroscopy occupies an extremely important position as a means of researching materials.

The term spectrum has since been used more broadly to refer to things other than electromagnetic waves. For example, the term spectrum generally refers to a distribution classified according to a certain attribute, such as the photoelectron spectrum (classification of photoelectrons emitted from a material by the magnitude of their kinetic energy), the electron energy loss spectrum (distribution of energy lost when electrons pass through a material), and the mass spectrum (distribution of particle beams arranged according to their mass).

[Ryuto Onaka]

"Introduction to Spectroscopic Measurements" edited by Nakahara Katsumi (1987, Academic Press Center)

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

スペクトルを取り扱う学問の領域。スペクトルとは、狭義には光波をその波長の相違によって分解し、分散させてつくられた色の帯(おび)をいう。1666年イギリスのニュートンは、窓に小穴（直径約8ミリメートル）をあけ、その光路にプリズムを置き、反対側の白壁に写し出された色の帯を観測し、この光帯をスペクトルと名づけた。穴をスリット（溝）に取り換え、レンズを用いて結像させると、色の分解はいっそう詳細にすることができる。1802年イギリスのウォラストンは、この方法で太陽光のスペクトルの中に数本の黒線を観測し、それを色の境界と考えたが、その後ドイツのフラウンホーファーはとくに精密な装置を用いて、その黒線が太陽光の連続スペクトルの中に現れた鋭い吸収線であることを発見し（1814）、これらにAからGまでの名をつけた。太陽スペクトル中の吸収線はその後さらに多数みいだされているが、これらもフラウンホーファー線とよばれる。フラウンホーファー線の波長は、その後スウェーデンの物理学者オングストレームによって正確に測定され、波長1メートルの100億分の1単位の表がつくられたので、その後、光の波長は、これを単位（オングストローム、記号Å）として表されるようになった。

　物質はそれぞれ特有の波長をもったスペクトル線を発光または吸収する。分光学がこの特性を利用してスペクトル分析として科学研究上重要になったのは、ドイツの物理学者キルヒホッフと化学者ブンゼンの共同研究によって、1860年に新元素セシウム、翌年にルビジウムが発見されたことに始まる。これらは他のアルカリ金属とあまりにも化学的に性質が似ているので、化学的方法による分離が困難であったが、それぞれ別の波長のスペクトル線をもっているので、分光学を利用すれば容易に新しい元素であることが確認できた。光の領域は、その後、可視光以外にも拡張され、紫外線、赤外線、X線、マイクロ波など電磁波全体に適用されるようになり、それを観測する手段も、まったく違った原理に基づくものが使われるようになった。たとえば、X線、γ(ガンマ)線ではガイガー‐ミュラー計数管や比例計数管が検出器として用いられ、マイクロ波の場合はダイオードによって検知される。

　分光学が物理学の一分野として研究されるようになると、単に電磁波の成分、分布を調べるにとどまらず、電磁波を放射したり吸収したりする物質の構造や機構を研究する重要な手段となった。そして、研究対象によって、原子スペクトル、分子スペクトル、固体スペクトル、原子核スペクトルなどと区別され、それぞれの学問分野が発展をみた。原子から放射されるスペクトルは多くの輝線よりできており、輝線スペクトルとよばれる。分子スペクトルは、水素分子のようにとくに軽い分子を除くと、一般に帯状に広がった幅の広い発光または吸収スペクトルとして観測されるので、バンド・スペクトルとよばれる。しかし、バンド・スペクトルも、非常に高い分解能をもつ分光器を用いて観測すると、ある規則に従って整列した多数の線スペクトルによって構成されていることがわかる。これは、分子の振動や回転のエネルギーも量子化されていて、とびとびの値しかとりえないことによる。これに反して、固体のスペクトルは、多くの場合、分解できない、幅の広い発光帯または吸収帯からできている。これは、固体では、関係する原子やイオンの数が無数といってよいほど多いことによる。いずれにしてもスペクトルの観測によって、物質中の電子や原子核の配列や、運動に関する情報が得られるので、分光学は物質の研究手段として非常に重要な地位を占めている。

　スペクトルということばは、その後さらに広く、電磁波以外にも用いられるようになった。たとえば、光電子スペクトル（光の吸収によって物質から放出された光電子を、その運動エネルギーの大きさによって分類したもの）、電子エネルギー損失スペクトル（電子がある物質中を通過するとき生ずる損失エネルギーの分布）、質量スペクトル（粒子線をその質量の大小によって配列した分布）などのように、ある属性に従って分類された分布を一般にスペクトルというようになった。

［尾中龍猛］

『中原勝儼編『分光測定入門』（1987・学会出版センター）』

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