Hvad er optisk spektroskopi?
Optisk spektroskopi er et middel til at studere egenskaberne ved fysiske objekter baseret på måling af, hvordan et objekt udsender og interagerer med lys. Det kan bruges til at måle attributter, såsom et objekts kemiske sammensætning, temperatur og hastighed. Det involverer synlige, ultraviolet eller infrarød lys, alene eller i kombination og er en del af en større gruppe af spektroskopiske teknikker kaldet elektromagnetisk spektroskopi. Optisk spektroskopi er en vigtig teknik inden for moderne videnskabelige felter såsom kemi og astronomi.
Et objekt bliver synligt ved at udsende eller reflektere fotoner, og bølgelængderne af disse fotoner afhænger af objektets sammensætning sammen med andre attributter, såsom temperatur. Det menneskelige øje opfatter tilstedeværelsen og fraværet af forskellige bølgelængder som forskellige farver. For eksempel opfattes fotoner med en bølgelængde på 620 til 750 nanometre som rødt, og derfor ser et objekt, der primært udsender eller reflekterer fotoner i dette interval, rødt. Ved hjælp af en enhedKaldt et spektrometer kan lys analyseres med meget større præcision. Denne nøjagtige måling - kombineret med en forståelse af de forskellige egenskaber ved lys, som forskellige stoffer producerer, reflekterer eller absorberer under forskellige forhold - er grundlaget for optisk spektroskopi.
Forskellige kemiske elementer og forbindelser varierer i, hvordan de udsender eller interagerer med fotoner på grund af kvantemekaniske forskelle i atomer og molekyler, der komponerer dem. Lyset målt med et spektrometer, efter at lyset er blevet reflekteret fra, ført igennem eller udsendt af det objekt, der studeres, har det, der kaldes spektrale linjer. Disse linjer er skarpe diskontinuiteter af lys eller mørke i spektret, der indikerer usædvanligt højt eller usædvanligt lavt antal fotoner med bestemte bølgelængder. Forskellige stoffer producerer karakteristiske spektrale linjer, der kan bruges til at identificere dem. Disse spEctrale linjer påvirkes også af faktorer som objektets temperatur og hastighed, så spektroskopi kan også bruges til at måle disse. Foruden bølgelængde kan andre egenskaber ved lyset, såsom dets intensitet, også give nyttige oplysninger.
Optisk spektroskopi kan udføres på flere forskellige måder, afhængigt af hvad der studeres. Individuelle spektrometre er specialiserede enheder, der fokuserer på præcis analyse af specifikke, smalle dele af det elektromagnetiske spektrum. De findes derfor i en lang række typer til forskellige applikationer.
En hovedtype af optisk spektroskopi, kaldet absorptionsspektroskopi, er baseret på at identificere, hvilke bølgelængder af lys et stof absorberes ved at måle de fotoner, det giver mulighed for at passere. Lyset kan produceres specifikt til dette formål med udstyr som lamper eller lasere eller kan komme fra en naturlig kilde, såsom Starlight. Det bruges mest med gasser, som er diffuse enoUgh at interagere med lys, mens det stadig tillader det at passere. Absorptionsspektroskopi er nyttig til at identificere kemikalier og kan bruges til at differentiere elementer eller forbindelser i en blanding.
Denne metode er også ekstremt vigtig i moderne astronomi og bruges ofte til at undersøge temperaturen og den kemiske sammensætning af himmelobjekter. Astronomisk spektroskopi måler også hastigheden af fjerne objekter ved at drage fordel af Doppler -effekten. Lette bølger fra et objekt, der bevæger sig mod observatøren, ser ud til at have højere frekvenser og dermed lavere bølgelængder end lette bølger fra et objekt i hvile i forhold til observatøren, mens bølgerne fra et objekt, der bevæger sig væk, ser ud til at have lavere frekvenser. Disse fænomener kaldes henholdsvis blueshift og rødskift, fordi hævning af hyppigheden af en bølge af synligt lys bevæger den mod den blå/violette ende af spektret, mens frekvensen bevæger den mod rødt.
En anden vigtig formaf optisk spektroskopi kaldes emissionsspektroskopi. Når atomer eller molekyler er begejstrede for en ekstern energikilde, såsom lys eller varme, stiger de midlertidigt i energiniveauet, før de falder tilbage til deres jordtilstand. Når de ophidsede partikler vender tilbage til deres jordtilstand, frigiver de den overskydende energi i form af fotoner. Som det er tilfældet med absorption, udsender forskellige stoffer fotoner af forskellige bølgelængder, som derefter kan måles og analyseres. I en almindelig form for denne teknik, kaldet fluorescensspektroskopi, er det emne, der analyseres, aktiveret med lys, normalt ultraviolet lys. I atomemissioner anvendes spektroskopi, brand, elektricitet eller plasma.
Fluorescensspektroskopi anvendes ofte i biologi og medicin, da det er mindre skadeligt for biologiske materialer end andre metoder, og fordi nogle organiske molekyler er naturligt fluorescerende. Atomabsorptionsspektroskopi bruges i kemisk analyse og er især effektiv til detecting metaller. Forskellige typer atomabsorptionsspektroskopi bruges til formål, såsom at identificere værdifulde mineraler i malm, analysere bevis fra kriminalitetsscener og opretholde kvalitetskontrol i metallurgi og industri.