Hva er optisk spektroskopi?
Optisk spektroskopi er et middel til å studere egenskapene til fysiske objekter basert på å måle hvordan et objekt avgir og interagerer med lys. Den kan brukes til å måle attributter som et objekts kjemiske sammensetning, temperatur og hastighet. Det innebærer synlig, ultrafiolett eller infrarødt lys, alene eller i kombinasjon, og er en del av en større gruppe spektroskopiske teknikker som kalles elektromagnetisk spektroskopi. Optisk spektroskopi er en viktig teknikk innen moderne vitenskapelige felt som kjemi og astronomi.
Et objekt blir synlig ved å sende ut eller reflektere fotoner, og bølgelengdene til disse fotonene avhenger av objektets sammensetning, sammen med andre attributter som temperatur. Det menneskelige øyet oppfatter tilstedeværelsen og fraværet av forskjellige bølgelengder som forskjellige farger. For eksempel blir fotoner med en bølgelengde på 620 til 750 nanometer oppfattet som røde, og slik at et objekt som først og fremst avgir eller reflekterer fotoner i det området ser rødt. Ved hjelp av en enhet som kalles et spektrometer, kan lys analyseres med mye større presisjon. Denne presise målingen - kombinert med en forståelse av de forskjellige egenskapene til lys som forskjellige stoffer produserer, reflekterer eller absorberer under forskjellige forhold - er grunnlaget for optisk spektroskopi.
Ulike kjemiske elementer og forbindelser varierer i hvordan de avgir eller interagerer med fotoner på grunn av kvantemekaniske forskjeller i atomene og molekylene som komponerer dem. Lyset målt ved et spektrometer etter at lyset har blitt reflektert fra, ført gjennom eller sendt ut av objektet som studeres, har det som kalles spektrallinjer. Disse linjene er skarpe diskontinuiteter av lys eller mørke i spekteret som indikerer uvanlig høye eller uvanlig lave antall fotoner med spesielle bølgelengder. Ulike stoffer produserer særegne spektrallinjer som kan brukes til å identifisere dem. Disse spektrallinjene påvirkes også av faktorer som objektets temperatur og hastighet, så spektroskopi kan også brukes til å måle disse. I tillegg til bølgelengde, kan andre egenskaper ved lyset, så som dens intensitet, også gi nyttig informasjon.
Optisk spektroskopi kan gjøres på flere forskjellige måter, avhengig av hva som studeres. Individuelle spektrometre er spesialiserte enheter som fokuserer på presis analyse av spesifikke, smale deler av det elektromagnetiske spekteret. De finnes derfor i en lang rekke typer for forskjellige bruksområder.
En hovedtype optisk spektroskopi, kalt absorpsjonsspektroskopi, er basert på å identifisere hvilke bølgelengder av lys et stoff tar opp ved å måle fotonene det tillater å passere gjennom. Lyset kan produseres spesielt for dette formålet med utstyr som lamper eller lasere eller kan komme fra en naturlig kilde, for eksempel stjernelys. Det brukes ofte med gasser, som er diffuse nok til å samhandle med lys, mens de fremdeles lar den passere. Absorpsjonsspektroskopi er nyttig for å identifisere kjemikalier og kan brukes til å differensiere elementer eller forbindelser i en blanding.
Denne metoden er også ekstremt viktig i moderne astronomi og brukes ofte til å studere temperaturen og den kjemiske sammensetningen av himmelobjekter. Astronomisk spektroskopi måler også hastigheten til fjerne objekter ved å dra nytte av Doppler-effekten. Lysbølger fra et objekt som beveger seg mot observatøren ser ut til å ha høyere frekvenser og dermed lavere bølgelengder enn lysbølger fra et objekt i ro i forhold til observatøren, mens bølgene fra et objekt som beveger seg bort ser ut til å ha lavere frekvenser. Disse fenomenene kalles henholdsvis blåskift og rødforskyvning, fordi å heve frekvensen til en bølge med synlig lys beveger det mot den blå / fiolette enden av spekteret, mens senking av frekvensen beveger den mot rødt.
En annen viktig form for optisk spektroskopi kalles emisjonsspektroskopi. Når atomer eller molekyler blir begeistret av en ekstern energikilde som lys eller varme, øker de midlertidig i energinivået før de slipper tilbake til bakken. Når de opphissede partiklene kommer tilbake til deres grunntilstand, frigjør de overskytende energi i form av fotoner. Som tilfellet er med absorpsjon, avgir forskjellige stoffer fotoner med forskjellige bølgelengder som deretter kan måles og analyseres. I en vanlig form for denne teknikken, kalt fluorescensspektroskopi, blir emnet som analyseres strømforsynt med lys, vanligvis ultrafiolett lys. I atomutslipp brukes spektroskopi, brann, elektrisitet eller plasma.
Fluorescensspektroskopi brukes ofte innen biologi og medisin, da det er mindre skadelig for biologiske materialer enn andre metoder og fordi noen organiske molekyler er naturlig fluorescerende. Atomabsorpsjonsspektroskopi brukes i kjemisk analyse og er spesielt effektiv for påvisning av metaller. Ulike typer atomabsorpsjonsspektroskopi brukes til formål som å identifisere verdifulle mineraler i malm, analysere bevis fra kriminalscener og opprettholde kvalitetskontroll i metallurgi og industri.