光学是初中物理中一个既重要又具有一定难度的知识点，尤其在中考中，它往往作为考查学生综合运用能力的关键内容。

  激光作为光学领域的一个重要分支，具有许多独特且引人注目的特性，这些特性使得激光在日常生活、科学研究以及工业应用中发挥着无法替代的作用。

  进入工业社会以来，人类在自然环境里留下的痕迹慢慢的变多，给环境能够造成的污染，尤其是对大气环境的污染越来越严重。

  为了更好地研究大气环境、了解大气环境变化背后的秘密，中国科学家开始用激光“围剿”大气污染物，这就是本文的“主角”——激光诱 导击穿光谱技术。

  我们在演唱会中，经常能看到五颜六色的灯光，有些就是用激光营造的舞台效果。高速公路上也有一些绿色的“防疲劳激光灯”，在夜间这些激光灯能够更好的起到提高驾驶员的警惕性、防止疲劳驾驶的作用。除此之外，生活中我们还经常能见到激光笔、激光打印机等。

  “LASER”是激光英文缩写，音译为“镭射”，1964年，按照我国著名科学家钱学森的建议改称“激光”。激光具有单色性与方向性好、能量高等特点，一支小小的激光笔就可以把火柴点燃，因此，为了安全起见绝不能用激光笔对着眼睛照射哦！

  携带着极高能量的激光，聚集灼烧样品后，样品被激发至高温等离子体（高度离子化而整体呈电中性的气体）状态。那么，处于高温等离子体状态的物质是凭借什么传递信息的呢？答案就是——光谱。

  300多年前，英国物理学家牛顿观察到，当一束太阳光经过三棱镜折射后，就被分解成了依次排列的红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫7种颜色的光。想必同学们也有类似的体验：让阳光通过透明的尺子，墙壁上就会映出彩虹的颜色；洒水车在喷水时，也会出现小小的彩虹……

  事实上，我们生活中见到的大多数光，都是由多种颜色的光混合而成的复色光，红光、蓝光等不一样的颜色的光都有对应的波长范围。

  复色光经过色散系统（如棱镜、光栅）分光后，被色散开的单色光，按波长（或频率）大小而依次排列的图案，就是光谱。

  同样，物质被激发至高温等离子体状态时，也会发出不同波长的光子。那么，这里的光子是怎么产生的呢？

  我们知道，原子由一个原子核和许多围绕其高速运转的电子组成。这些电子在能量高低不同的轨道上运行。电子经过激发后，便会从原本的轨道转移到其他轨道上。当电子从高能级向低能级跃迁时，根据能量守恒定律，能级差的能量并没有消失，而是会以辐射光子的形式释放开来，这就是物质受到光激发后发光的原因。

  事实上，对于不同的原子来说，电子轨道之间能量差是不同的，因此辐射出的光子其波长也各不相同。如同我们每个人的指纹一样，这也成了每种元素独一无二的标志。

  被检测物受到激光照射后，会发出波长不同的光子；不同波长的光子组成了光谱，研究人员只要在光谱中找到光子对应的位置和强度，就能确定被检测的是什么物质。用激光将样品激发成等离子体后，所发出的光子就会被光谱仪探头收集，并由光谱仪获取光谱，再在电脑上实时地显示出来。通过对光谱特征的分析，我们就能确定样品的元素成分和浓度啦！这就是激光诱导击穿光谱技术能成为大气环境监视测定的好帮手的原理。

  让我们把目光重新投向大气环境探测领域。当今大气污染物的种类纷繁复杂，例如大气颗粒物、碳排放、挥发性有机物等，这些大气污染物会诱发酸雨、雾霾、光污染等环境问题。面对种类非常之多的环境问题，激光诱导击穿光谱技术能发挥啥作业呢？

  在空气质量预报中，我们大家常常能见到“PM2.5”“PM10”两个指标。“PM”来自颗粒物（Particulate Matter）的英文首字母，其后的数值则代表了对应的颗粒物粒径。虽然大气颗粒物只占大气成分中的很小一部分，但它们会直接对人类的呼吸系统等造成了严重的伤害。运用激光诱导击穿光谱技术，我们大家可以实现对纸张、秸秆、香烟与蚊香等我们生活中常见的物品燃烧所产生的烟雾的探测。

  碳达峰、碳中和、碳循环、低碳生活……这些我们耳熟能详的词汇里，都能见到“碳”的身影。自工业革命以来，人类大量使用化石能源，向大气排放了大量二氧化碳，导致全球变暖。激光诱导击穿光谱技术能更高效、便捷地追踪碳的“足迹”，为碳浓度高效测量和碳同位素识别提供新思路。

  无论是马路上汽车排放的尾气，还是工厂里烟囱冒出的黑烟，都藏着肉眼看不见的污染“元凶”——挥发性有机物，英文为Volatile Organic Compounds。

  利用激光诱导击穿光谱技术对挥发性有机物进行探测后，研究人员就能得到这种物质对应的光谱，从而确定该种挥发性有机物的成分和浓度。

  简单的原理、并不复杂的装置设计……在未来，无论是大气稀薄的万米高空、还是昏暗幽深的大洋深处，或是虫蛇横行的热带雨林、人迹罕至的沙漠之海……都将是激光诱导击穿光谱技术大显身手的舞台。

  本文节选自《知识就是力量》杂志2024年4月刊《用激光“围剿”大气污染物》，通过探讨激光技术在治理大气污染方面的潜力和应用，为青少年们拓宽了物理学科知识，也为青少年们提供了新的视角来看待和解决环境问题。

  翻开《知识就是力量》杂志，你会被其中涵盖的广泛学科知识所震撼。从物理学、化学、生物学到地理学、天文学，再到环境科学、工程技术等多个领域，每一篇文章都经过精心的打磨。不妨抽出时间翻阅一下这本杂志，让知识的力量为你的未来插上翅膀吧！

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