Wat is optische spectroscopie?
Optische spectroscopie is een manier om de eigenschappen van fysieke objecten te bestuderen op basis van metingen hoe een object licht uitzendt en er interactie mee heeft. Het kan worden gebruikt om attributen te meten, zoals de chemische samenstelling, temperatuur en snelheid van een object. Het omvat zichtbaar, ultraviolet of infrarood licht, alleen of in combinatie, en maakt deel uit van een grotere groep spectroscopische technieken die elektromagnetische spectroscopie worden genoemd. Optische spectroscopie is een belangrijke techniek in moderne wetenschappelijke velden zoals chemie en astronomie.
Een object wordt zichtbaar door het uitzenden of reflecteren van fotonen, en de golflengtes van deze fotonen zijn afhankelijk van de samenstelling van het object, samen met andere attributen zoals temperatuur. Het menselijk oog neemt de aanwezigheid en afwezigheid van verschillende golflengten waar als verschillende kleuren. Fotonen met een golflengte van 620 tot 750 nanometer worden bijvoorbeeld als rood waargenomen, en dus ziet een object dat voornamelijk fotonen in dat bereik uitzendt of reflecteert er rood uit. Met behulp van een apparaat dat een spectrometer wordt genoemd, kan licht met veel grotere precisie worden geanalyseerd. Deze precieze meting - gecombineerd met een begrip van de verschillende eigenschappen van licht die verschillende stoffen produceren, reflecteren of absorberen onder verschillende omstandigheden - vormt de basis van optische spectroscopie.
Verschillende chemische elementen en verbindingen variëren in hoe ze emitteren of interageren met fotonen vanwege kwantummechanische verschillen in de atomen en moleculen waaruit ze zijn samengesteld. Het licht gemeten door een spectrometer nadat het licht is gereflecteerd door, doorgelaten of uitgezonden door het object dat wordt bestudeerd, heeft zogenaamde spectrale lijnen. Deze lijnen zijn scherpe discontinuïteiten van licht of duisternis in het spectrum die ongewoon hoge of ongewoon lage aantallen fotonen met bepaalde golflengten aangeven. Verschillende stoffen produceren onderscheidende spectrale lijnen die kunnen worden gebruikt om ze te identificeren. Deze spectrale lijnen worden ook beïnvloed door factoren zoals de temperatuur en snelheid van het object, dus spectroscopie kan ook worden gebruikt om deze ook te meten. Naast de golflengte kunnen ook andere karakteristieken van het licht, zoals de intensiteit, nuttige informatie verschaffen.
Optische spectroscopie kan op verschillende manieren worden uitgevoerd, afhankelijk van wat er wordt onderzocht. Individuele spectrometers zijn gespecialiseerde apparaten die zich richten op een nauwkeurige analyse van specifieke, smalle delen van het elektromagnetische spectrum. Ze bestaan daarom in een grote verscheidenheid aan typen voor verschillende toepassingen.
Een belangrijk type optische spectroscopie, absorptiespectroscopie genoemd, is gebaseerd op het identificeren van de golflengten van het licht dat een stof absorbeert door de fotonen te meten die het doorlaat. Het licht kan speciaal voor dit doel worden geproduceerd met apparatuur zoals lampen of lasers of kan afkomstig zijn van een natuurlijke bron, zoals sterrenlicht. Het wordt meestal gebruikt met gassen, die diffuus genoeg zijn om met licht te interageren en toch door te laten. Absorptiespectroscopie is nuttig voor het identificeren van chemicaliën en kan worden gebruikt om elementen of verbindingen in een mengsel te differentiëren.
Deze methode is ook uiterst belangrijk in de moderne astronomie en wordt vaak gebruikt om de temperatuur en chemische samenstelling van hemellichamen te bestuderen. Astronomische spectroscopie meet ook de snelheid van verre objecten door gebruik te maken van het Doppler-effect. Lichtgolven van een object dat in de richting van de waarnemer beweegt, lijken hogere frequenties en dus lagere golflengten te hebben dan lichtgolven van een object in rust ten opzichte van de waarnemer, terwijl de golven van een object dat weggaat lagere frequenties lijken te hebben. Deze fenomenen worden respectievelijk blauwverschuiving en roodverschuiving genoemd, omdat het verhogen van de frequentie van een golf van zichtbaar licht deze naar het blauw / violette einde van het spectrum verplaatst, terwijl het verlagen van de frequentie het naar rood verplaatst.
Een andere belangrijke vorm van optische spectroscopie wordt emissiespectroscopie genoemd. Wanneer atomen of moleculen worden geëxciteerd door een externe energiebron zoals licht of warmte, nemen ze tijdelijk in energieniveau toe voordat ze terugvallen naar hun grondtoestand. Wanneer de geëxciteerde deeltjes terugkeren naar hun grondtoestand, geven ze de overtollige energie af in de vorm van fotonen. Zoals het geval is met absorptie, zenden verschillende stoffen fotonen met verschillende golflengten uit die vervolgens kunnen worden gemeten en geanalyseerd. In een veel voorkomende vorm van deze techniek, fluorescentiespectroscopie genoemd, wordt het te analyseren onderwerp bekrachtigd met licht, meestal ultraviolet licht. Bij atoomemissies wordt spectroscopie, vuur, elektriciteit of plasma gebruikt.
Fluorescentiespectroscopie wordt vaak gebruikt in de biologie en geneeskunde, omdat het minder schadelijk is voor biologische materialen dan andere methoden en omdat sommige organische moleculen van nature fluorescerend zijn. Atoomabsorptiespectroscopie wordt gebruikt in chemische analyse en is bijzonder effectief voor het detecteren van metalen. Verschillende soorten atoomabsorptiespectroscopie worden gebruikt voor doeleinden zoals het identificeren van waardevolle mineralen in ertsen, het analyseren van bewijsmateriaal uit plaats delicten en het handhaven van kwaliteitscontrole in de metallurgie en de industrie.