Che cos'è la spettroscopia ottica?
La spettroscopia ottica è un mezzo per studiare le proprietà degli oggetti fisici in base alla misurazione del modo in cui un oggetto emette e interagisce con la luce. Può essere usato per misurare attributi come la composizione chimica, la temperatura e la velocità di un oggetto. Implica la luce visibile, ultravioletta o infrarossa, da sola o in combinazione, e fa parte di un gruppo più ampio di tecniche spettroscopiche chiamate spettroscopia elettromagnetica. La spettroscopia ottica è una tecnica importante in campi scientifici moderni come la chimica e l'astronomia.
Un oggetto diventa visibile emettendo o riflettendo fotoni e le lunghezze d'onda di questi fotoni dipendono dalla composizione dell'oggetto, insieme ad altri attributi come la temperatura. L'occhio umano percepisce la presenza e l'assenza di diverse lunghezze d'onda come colori diversi. Ad esempio, i fotoni con una lunghezza d'onda compresa tra 620 e 750 nanometri sono percepiti come rossi, quindi un oggetto che emette o riflette principalmente i fotoni in quell'intervallo appare rosso. Utilizzando un dispositivo chiamato spettrometro, la luce può essere analizzata con una precisione molto maggiore. Questa misurazione precisa, combinata con la comprensione delle diverse proprietà della luce che le diverse sostanze producono, riflettono o assorbono in varie condizioni, è la base della spettroscopia ottica.
Diversi elementi e composti chimici variano nel modo in cui emettono o interagiscono con i fotoni a causa delle differenze meccaniche quantistiche negli atomi e nelle molecole che li compongono. La luce misurata da uno spettrometro dopo che la luce è stata riflessa, attraversata o emessa dall'oggetto oggetto di studio ha quelle che sono chiamate linee spettrali. Queste linee sono nette discontinuità di luce o oscurità nello spettro che indicano un numero insolitamente alto o insolitamente basso di fotoni di particolari lunghezze d'onda. Diverse sostanze producono linee spettrali distintive che possono essere utilizzate per identificarle. Queste linee spettrali sono anche influenzate da fattori come la temperatura e la velocità dell'oggetto, quindi anche la spettroscopia può essere utilizzata per misurare anche queste. Oltre alla lunghezza d'onda, anche altre caratteristiche della luce, come la sua intensità, possono fornire informazioni utili.
La spettroscopia ottica può essere eseguita in diversi modi, a seconda di ciò che viene studiato. I singoli spettrometri sono dispositivi specializzati che si concentrano sull'analisi precisa di parti strette e specifiche dello spettro elettromagnetico. Esistono quindi in un'ampia varietà di tipi per diverse applicazioni.
Un importante tipo di spettroscopia ottica, chiamato spettroscopia di assorbimento, si basa sull'identificazione delle lunghezze d'onda della luce che una sostanza assorbe misurando i fotoni che consente di attraversare. La luce può essere prodotta appositamente per questo scopo con apparecchiature come lampade o laser o può provenire da una fonte naturale, come la luce delle stelle. È più comunemente usato con i gas, che sono abbastanza diffusi da interagire con la luce pur consentendo al suo passaggio. La spettroscopia di assorbimento è utile per identificare le sostanze chimiche e può essere utilizzata per differenziare elementi o composti in una miscela.
Questo metodo è anche estremamente importante nella moderna astronomia ed è spesso usato per studiare la temperatura e la composizione chimica degli oggetti celesti. La spettroscopia astronomica misura anche la velocità di oggetti distanti sfruttando l'effetto Doppler. Le onde luminose di un oggetto che si sta muovendo verso l'osservatore sembrano avere frequenze più alte e quindi lunghezze d'onda inferiori rispetto alle onde luminose di un oggetto a riposo rispetto all'osservatore, mentre le onde di un oggetto che si sta allontanando sembrano avere frequenze più basse. Questi fenomeni sono chiamati rispettivamente blueshift e redshift, poiché l'innalzamento della frequenza di un'onda di luce visibile la sposta verso l'estremità blu / viola dello spettro, mentre la riduzione della frequenza la sposta verso il rosso.
Un'altra importante forma di spettroscopia ottica è chiamata spettroscopia delle emissioni. Quando gli atomi o le molecole vengono eccitati da una fonte di energia esterna come la luce o il calore, aumentano temporaneamente il livello di energia prima di ritornare al loro stato fondamentale. Quando le particelle eccitate tornano al loro stato fondamentale, rilasciano l'energia in eccesso sotto forma di fotoni. Come nel caso dell'assorbimento, diverse sostanze emettono fotoni di diverse lunghezze d'onda che possono quindi essere misurate e analizzate. In una forma comune di questa tecnica, chiamata spettroscopia di fluorescenza, il soggetto analizzato è energizzato dalla luce, generalmente luce ultravioletta. Nella spettroscopia delle emissioni atomiche viene utilizzato fuoco, elettricità o plasma.
La spettroscopia a fluorescenza è comunemente usata in biologia e medicina, poiché è meno dannosa per i materiali biologici rispetto ad altri metodi e perché alcune molecole organiche sono naturalmente fluorescenti. La spettroscopia di assorbimento atomico viene utilizzata nell'analisi chimica ed è particolarmente efficace per rilevare i metalli. Diversi tipi di spettroscopia di assorbimento atomico sono utilizzati per scopi come l'identificazione di minerali preziosi nei minerali, l'analisi delle prove da scene del crimine e il mantenimento del controllo di qualità nella metallurgia e nell'industria.