如果我們渴望發現外星生命的蹤跡，那么尋找他們留下的“氣息”或許是最佳途徑。外星生命的第一個跡象很可能是遙遠系外行星大氣中的非自然氣體成分。當我們觀察到一個系外行星，發現其大氣層中的氣體比例無法僅通過化學定律來解釋時，這便是一個生物特征的強烈指示，表明至少存在微生物生命。但我們如何知道遙遠的行星大氣層中存在哪些化學物質呢？答案是原子光譜。

當我們觀察到一顆行星從其恒星前經過時，恒星的光會被大氣中的元素以一種特定模式吸收，形成了原子吸收光譜。每個元素都有一個特定的模式，就像條形碼一樣。因此，通過精確分析這些光譜，我們可以得知大氣中存在哪些氣體，以及它們的比例。我們已經將這種技術用于其他空間物體，如恒星和星云，幫助我們測量溫度、密度、電離和相對速度等特性。我們可以觀察深空并得到這么多信息，僅僅是來自光，它就像物理定律給我們的一份禮物。

有兩種原子光譜：吸收光譜和發射光譜。吸收光譜是光源位于氣體后面，氣體吸收并散射某些波長的光，在恒星光譜中留下暗線。相反的是發射光譜，它是相同的過程，但從不同的角度看。

在原子光譜中，為什么我們會得到這些非常具體的線？為了回答找個問題，我們需要深入研究量子力學的世界。在量子力學的世界中，光的吸收和發射是由原子中電子的能態決定的。電子只能存在于特定的能態中，這些離散的能態是由電子的波函數決定的，而波函數只能在原子約束中的特定頻率存在。

當光照射到原子上，如果其能量與電子能級差匹配，電子便會吸收光并躍遷到更高的能態，然后再跳回較低的能態，并隨機方向發射光。這就是我們在吸收光譜中看到的暗帶，因為電子吸收光，然后將其大部分發射到與原始光不同的方向，因此我們在特定方向上就看不到光的這些頻率。相反，發射光譜是由這些發射光組成的。www.ws46.com

上圖是氫的發射光譜的一部分，我們注意到有三組譜線。第一組稱為萊曼系，它是電子由所有高能態躍遷到基態產生的。其他線系以類似方式，從高能級躍遷到比基態更高一點的能級。請注意，我只使用氫作為例子，因為它只有一個質子和一個電子，所以它有一個相對簡單的光譜，而其他元素的光譜更加復雜。

現在我們已經了解了原子光譜的基礎知識，但精細結構和超精細結構也值得了解。如果您仔細觀察譜線，就會發現它們通常由兩條或更多條非常接近的譜線組成。到目前為止我們討論的原子光譜是一個理想化的模型，但是當你添加電子的自旋和相對論效應時，你會得到能級的精細結構分裂。除此之外還有超精細結構，這是由電子和原子核之間的相互作用引起的能級微小分裂。

現在重要的是要注意到目前為止我所描述的并不是光與物質相互作用的唯一方式。您還應該了解其他一些方式，最常見的是散射。當光照射到電子上時，電子可以自由擺動，稱為散射。**散射你不需要量子物理學的規則來描述它，這是光作為振動電磁波的經典效應，它與電子的電荷相互作用，導致它們擺動，然后它們成為更多電磁波的振蕩源。

現在需要注意的是，到目前為止我所描述的并不是光與物質相互作用的唯一方式。除了之前提到的吸收和發射，散射也是一個常見的相互作用方式。散射不需要量子物理學的規則來描述，它是光作為振動電磁波的經典效應。光與電子的電荷相互作用，導致電子擺動，并成為新的電磁波的源頭。

我們所熟知的一種散射是瑞利散射，它是導致天空呈藍色和日落呈紅色的原因。拉曼散射是另一種散射形式，當光照射在分子上時，分子可以以不同的模式振動，產生獨特的拉曼光譜。此外，還有布里淵散射，當光與固體原子晶格中的振動波相互作用時，光會失去或獲得能量。這些散射現象都有助于我們理解物質的性質。

原子光譜的應用非常廣泛。在天體物理學中，我們利用它來分析恒星和星云的成分。在化學實驗室，原子光譜用于確定樣品的成分。超精細結構的研究可以通過核磁共振等技術深入到原子核層面。