Co je optická spektroskopie?

Optická spektroskopie je prostředek ke studiu vlastností fyzických objektů založený na měření toho, jak objekt emituje a reaguje se světlem. Může být použit k měření atributů, jako je chemické složení objektu, teplota a rychlost. Zahrnuje viditelné, ultrafialové nebo infračervené světlo, samostatně nebo v kombinaci, a je součástí větší skupiny spektroskopických technik zvaných elektromagnetická spektroskopie. Optická spektroskopie je důležitou technikou v moderních vědeckých oborech, jako je chemie a astronomie.

Objekt se stane viditelným vyzařováním nebo odrazem fotonů a vlnové délky těchto fotonů závisí na složení objektu spolu s dalšími atributy, jako je teplota. Lidské oko vnímá přítomnost a nepřítomnost různých vlnových délek jako různé barvy. Například fotony s vlnovou délkou 620 až 750 nanometrů jsou vnímány jako červené, a tak objekt, který primárně emituje nebo odráží fotony v tomto rozsahu, vypadá červeně. Pomocí zařízení zvaného spektrometr může být světlo analyzováno s mnohem větší přesností. Toto přesné měření - v kombinaci s pochopením různých vlastností světla, které různé látky vytvářejí, odrážejí nebo absorbují za různých podmínek - je základem optické spektroskopie.

Různé chemické prvky a sloučeniny se liší v tom, jak vyzařují nebo interagují s fotony kvůli kvantovým mechanickým rozdílům v atomech a molekulách, které je tvoří. Světlo měřené spektrometrem poté, co se světlo odrazilo, prošlo skrz, nebo vyzařovalo studovaným objektem, má tzv. Spektrální čáry. Tyto čáry jsou ostré diskontinuity světla nebo tmy ve spektru, které ukazují neobvykle vysoký nebo neobvykle nízký počet fotonů konkrétních vlnových délek. Různé látky vytvářejí charakteristické spektrální čáry, které je lze použít k jejich identifikaci. Tyto spektrální čáry jsou také ovlivněny faktory, jako je teplota a rychlost objektu, takže k jejich měření lze také použít spektroskopii. Kromě vlnové délky mohou poskytnout užitečné informace také další charakteristiky světla, jako je jeho intenzita.

Optická spektroskopie může být provedena několika různými způsoby, v závislosti na tom, co je studováno. Jednotlivé spektrometry jsou specializovaná zařízení, která se zaměřují na přesnou analýzu specifických, úzkých částí elektromagnetického spektra. Proto existují v široké škále typů pro různé aplikace.

Jeden hlavní typ optické spektroskopie, nazývaný absorpční spektroskopie, je založen na identifikaci vlnových délek světla, které látka absorbuje měřením fotonů, kterými umožňuje procházet. Světlo může být vyráběno speciálně pro tento účel pomocí zařízení, jako jsou lampy nebo lasery, nebo může pocházet z přírodního zdroje, jako je hvězdné světlo. Nejčastěji se používá u plynů, které jsou natolik rozptýlené, aby interagovaly se světlem a přitom mu stále umožňovaly průchod. Absorpční spektroskopie je užitečná pro identifikaci chemikálií a může být použita k rozlišení prvků nebo sloučenin ve směsi.

Tato metoda je také nesmírně důležitá v moderní astronomii a často se používá ke studiu teploty a chemického složení nebeských objektů. Astronomická spektroskopie také měří rychlost vzdálených objektů využitím Dopplerova efektu. Zdá se, že světelné vlny od objektu, který se pohybuje směrem k pozorovateli, mají vyšší frekvence a tedy nižší vlnové délky než světelné vlny od objektu v klidu vzhledem k pozorovateli, zatímco vlny od objektu, který se pohybuje pryč, mají nižší kmitočty. Tyto jevy se nazývají blueshift a redshift, v tomto pořadí, protože zvyšování frekvence vlny viditelného světla ji posouvá směrem k modru / fialovému konci spektra, zatímco snižování frekvence ji posouvá směrem k červené.

Další důležitou formou optické spektroskopie je tzv. Emisní spektroskopie. Když jsou atomy nebo molekuly excitovány vnějším zdrojem energie, jako je světlo nebo teplo, dočasně zvýší hladinu energie a poté klesnou zpět do svého základního stavu. Když se vzrušené částice vrátí do svého základního stavu, uvolní přebytečnou energii ve formě fotonů. Stejně jako v případě absorpce různé látky emitují fotony o různých vlnových délkách, které lze poté měřit a analyzovat. V jedné běžné formě této techniky, nazývané fluorescenční spektroskopie, je analyzovaný subjekt napájen světlem, obvykle ultrafialovým světlem. V atomové emisní spektroskopii se používá oheň, elektřina nebo plazma.

Fluorescenční spektroskopie se běžně používá v biologii a medicíně, protože je méně škodlivá pro biologické materiály než jiné metody a protože některé organické molekuly jsou přirozeně fluorescenční. Atomová absorpční spektroskopie se používá v chemické analýze a je zvláště účinná při detekci kovů. Různé typy atomové absorpční spektroskopie se používají pro účely, jako je identifikace cenných minerálů v rudách, analýza důkazů ze scén zločinu a udržení kontroly kvality v metalurgii a průmyslu.