光谱学研究物质与电磁辐射之间的相互作用，并分析这种相互作用随波长、频率或能量的变化。它最初研究可见光分解成不同颜色的现象，如今已涵盖整个电磁波谱范围内的测量，以及检测电子等发射粒子的技术。光谱能够提供物质的化学种类、浓度、分子结构和物理条件等信息。这一领域连接着物理学、化学和天文学，并为分析化学提供了许多研究工具。(edu.rsc.org)
物理原理
光谱记录某个测量量（如透射强度或发射功率）随光谱坐标的变化。波长和频率是描述同一辐射的两种方式：在真空中，(c=\lambda\nu)，其中 (c) 为光速。一个光子携带的能量为 (E=h\nu)，其中 (h) 为普朗克常数。因此，光谱测量将辐射的性质与物质内部的能量差联系起来。(nist.gov)
在量子力学中，束缚系统具有离散的能级。对于吸收或发射一个光子的跃迁，有
[ \Delta E=h\nu. ]
这一关系使光谱学成为直接探测能量量子化的手段。当光子能量与某个能够发生的向高能级跃迁所需的能量相符时，原子便会吸收辐射；激发态原子跃迁到较低能级时，则可以发射辐射。不同的电子结构会产生不同的谱线分布。(science.nasa.gov)
分子还具有转动和振动状态。因此，分子光谱中可能出现由许多间隔很小的跃迁组成的谱带，而非彼此孤立的谱线。电子、振动和转动各自对光谱的贡献提供了不同类型的结构信息。光谱特征常被比作指纹，但鉴定一种物质仍需结合适当的参考数据和测量条件进行比较。(science.nasa.gov)
相互作用类型
吸收光谱学测量辐射穿过样品后的减弱程度。样品所吸收的频率表现为透射率降低或吸光度升高。发射光谱学测量受激物质产生的辐射，研究对象包括气体、火焰、等离子体和天体。相应的跃迁在吸收和发射中具有相同的特征频率，但观测到的强度取决于相关状态的粒子数分布。(science.nasa.gov)
散射方法研究被物质改变了传播方向的辐射。在拉曼光谱学中，少量入射光与分子振动或其他激发过程交换能量。由此产生的频移能够提供与吸收测量互补的信息。荧光光谱学则观测物质受激后的发光；荧光寿命表征激发态持续的时间。(ccmr.cornell.edu)
主要技术
紫外–可见光谱学主要探测电子跃迁。它能够测量吸光物质的浓度，并表征包括半导体带隙在内的光学性质。红外光谱学通常探测分子振动，通过吸收特征帮助识别官能团和区分化合物。振动取决于原子质量以及化学键的性质。(mri.psu.edu)
核磁共振波谱学探测磁场中的核自旋跃迁。共振行为的差异能够揭示局部化学环境；氢核磁共振可以区分有机分子中氢原子所处的不同环境。因此，它是一种研究结构的方法，而非局限于可见光或红外光的技术。(edu.rsc.org)
X射线发射光谱学通过特征光子能量识别元素。光电子能谱学测量的是物质受辐照后逸出的电子，而不是透射光或发射光本身。电子能量能够揭示元素组成、化学键合情况和氧化态。这些技术说明，光谱学的范围远不止将可见光分解成不同颜色。(ccmr.cornell.edu)
仪器与测量
典型的光学光谱仪由辐射源、样品装置、用于波长选择或编码的光学元件以及探测器组成。辐射源可以是灯或激光。衍射光栅或棱镜将不同波长的光分开；入射狭缝和出射狭缝控制通过的光，并影响分辨率。吸收光谱仪将穿过样品的辐射与参比或背景测量结果进行比较。(sites.science.oregonstate.edu)
傅里叶变换光谱仪采用另一种方式对光谱信息进行编码。在傅里叶变换红外光谱学中，干涉仪改变两束光之间的光程差，产生干涉图。傅里叶变换将这一信号转换为光谱。将光谱技术与显微镜结合，可以对组成和结构进行具有空间分辨能力的测量。(sites.science.oregonstate.edu)
定量吸收测量常使用比尔–朗伯定律：
[ A=\log_{10}\left(\frac{I_0}{I}\right)=\varepsilon cl, ]
其中，(I_0) 和 (I) 分别为入射和透射的光谱强度，(\varepsilon) 为摩尔吸收系数，(c) 为浓度，(l) 为光程长度。这一关系以满足适当条件为前提，包括介质均匀，以及辐射带宽相对于吸收特征的宽度足够窄。(goldbook.iupac.org)
历史发展
17世纪，艾萨克·牛顿证明棱镜能够将太阳光分解成连续的颜色序列。19世纪的研究确立了光谱中还存在独特的明线和暗线。通过将实验室光谱与天文观测结果相匹配，光谱学从研究颜色的学科转变为确定遥远天体组成的手段。此后，谱线成为证明原子能级结构的重要证据。(science.nasa.gov)
应用与解读
天文学家利用光谱识别恒星和星云中的物质，估算温度与密度，并通过光谱位移研究运动。大气测量利用光谱识别污染物，并定量测定温室气体。在材料研究中，红外和拉曼测量用于表征聚合物、分子结构及材料缺陷。(science.nasa.gov)
解读光谱需要利用谱线的位置、强度、宽度和整体分布，而不只是判断是否存在某个峰。仪器分辨率的限制可能使相邻的光谱特征合并，背景吸收则可能引入与样品无关的信号。因此，可靠的测量依赖于校准、参考光谱、背景校正，以及对产生各项光谱特征的物理过程的理解。(nist.gov)