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 synligt, ultraviolet eller infrarødt 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 områder 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 nanometer som røde, og derfor ser et objekt, der primært udsender eller reflekterer fotoner i dette interval, rødt. Ved hjælp af en enhed kaldet et spektrometer kan lys analyseres med meget større præcision. Denne præcise 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 ved et spektrometer, efter at lyset er reflekteret fra, passeret igennem eller udsendt af det objekt, der studeres, har det, der kaldes spektrallinjer. Disse linjer er skarpe diskontinuiteter i lys eller mørke i spektret, der indikerer usædvanligt høje eller usædvanligt lave antal fotoner med bestemte bølgelængder. Forskellige stoffer producerer karakteristiske spektrallinjer, der kan bruges til at identificere dem. Disse spektrale linier påvirkes også af faktorer som objektets temperatur og hastighed, så spektroskopi kan også bruges til at måle disse også. Ud over bølgelængden kan andre egenskaber ved lyset, såsom dets intensitet, også give nyttige oplysninger.
Optisk spektroskopi kan udføres på flere forskellige måder, afhængigt af hvad der undersøges. 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 forskellige typer til forskellige applikationer.
En hovedtype af optisk spektroskopi, kaldet absorptionsspektroskopi, er baseret på at identificere, hvilke bølgelængder af lys et stof absorberer ved at måle de fotoner, det tillader at passere. Lyset kan produceres specifikt til dette formål med udstyr såsom lamper eller lasere eller kan komme fra en naturlig kilde, såsom stjernelys. Det bruges ofte med gasser, som er diffuse nok til at interagere med lys, mens de stadig tillader det at passere. Absorptionsspektroskopi er nyttigt 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 studere temperaturen og den kemiske sammensætning af himmelobjekter. Astronomisk spektroskopi måler også hastigheden af fjerne objekter ved at drage fordel af Doppler-effekten. Lysbølger fra et objekt, der bevæger sig mod observatøren, ser ud til at have højere frekvenser og dermed lavere bølgelængder end lysbølger fra et objekt i hvile i forhold til observatøren, mens bølgerne fra et objekt, der bevæger sig, ser ud til at have lavere frekvenser. Disse fænomener kaldes henholdsvis blåskift og rødskift, fordi at hæve frekvensen af en bølge af synligt lys bevæger det mod den blå / violette ende af spektret, mens sænkning af frekvensen bevæger det mod rødt.
En anden vigtig form for optisk spektroskopi kaldes emissionspektroskopi. Når atomer eller molekyler ophidses af 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 med forskellige bølgelængder, som derefter kan måles og analyseres. I en almindelig form for denne teknik, kaldet fluorescensspektroskopi, aktiveres emnet, der analyseres, lys, normalt ultraviolet lys. I atomemissioner anvendes spektroskopi, ild, elektricitet eller plasma.
Fluorescensspektroskopi bruges ofte inden for biologi og medicin, da det er mindre skadeligt for biologiske materialer end andre metoder, og fordi nogle organiske molekyler er naturligt fluorescerende. Atomabsorptionsspektroskopi anvendes i kemisk analyse og er især effektiv til påvisning af metaller. Forskellige typer atomabsorptionsspektroskopi bruges til formål, såsom at identificere værdifulde mineraler i malm, analysere bevis fra kriminalscener og opretholde kvalitetskontrol i metallurgi og industri.