Co to jest spektroskopia optyczna?
Spektroskopia optyczna jest sposobem badania właściwości fizycznych obiektów na podstawie pomiaru, w jaki obiekt emituje i oddziałuje ze światłem. Można go wykorzystać do pomiaru atrybutów, takich jak skład chemiczny obiektu, temperatura i prędkość. Obejmuje światło widzialne, ultrafioletowe lub podczerwone, samodzielnie lub w połączeniu, i jest częścią większej grupy technik spektroskopowych zwanych spektroskopią elektromagnetyczną. Spektroskopia optyczna jest ważną techniką we współczesnych dziedzinach naukowych, takich jak chemia i astronomia.
Obiekt staje się widoczny przez emitowanie lub odbijanie fotonów, a długości fal tych fotonów zależą od składu obiektu, a także od innych atrybutów, takich jak temperatura. Ludzkie oko postrzega obecność i brak różnych długości fal jako różne kolory. Na przykład fotony o długości fali od 620 do 750 nanometrów są postrzegane jako czerwone, a zatem obiekt, który przede wszystkim emituje lub odbija fotony w tym zakresie, wygląda na czerwony. Za pomocą urządzenia zwanego spektrometrem światło można analizować z dużo większą precyzją. Ten precyzyjny pomiar - w połączeniu ze zrozumieniem różnych właściwości światła, które różne substancje wytwarzają, odbijają lub absorbują w różnych warunkach - jest podstawą spektroskopii optycznej.
Różne pierwiastki chemiczne i związki różnią się sposobem, w jaki emitują fotony lub oddziałują z nimi ze względu na kwantowo-mechaniczne różnice w atomach i cząsteczkach, które je tworzą. Światło mierzone spektrometrem po odbiciu światła, przejściu lub emisji przez badany obiekt ma tak zwane linie widmowe. Linie te są ostrymi nieciągłościami światła lub ciemności w widmie, które wskazują na wyjątkowo wysoką lub niezwykle niską liczbę fotonów o określonych długościach fal. Różne substancje wytwarzają charakterystyczne linie widmowe, które można wykorzystać do ich identyfikacji. Na te linie widmowe wpływają również czynniki, takie jak temperatura i prędkość obiektu, więc spektroskopia może być również wykorzystana do ich pomiaru. Oprócz długości fali, inne cechy światła, takie jak jego intensywność, mogą również dostarczyć użytecznych informacji.
Spektroskopię optyczną można wykonać na kilka różnych sposobów, w zależności od tego, co jest badane. Poszczególne spektrometry są specjalistycznymi urządzeniami, które koncentrują się na dokładnej analizie określonych, wąskich części widma elektromagnetycznego. Istnieją zatem w szerokiej gamie typów do różnych zastosowań.
Jednym z głównych rodzajów spektroskopii optycznej, zwanym spektroskopią absorpcyjną, jest identyfikacja długości fal światła, które substancja absorbuje, poprzez pomiar fotonów, przez które przepuszcza. Światło może być wytwarzane specjalnie do tego celu za pomocą urządzeń takich jak lampy lub lasery lub może pochodzić z naturalnego źródła, takiego jak światło gwiazd. Najczęściej stosuje się go w przypadku gazów, które są wystarczająco rozproszone, aby oddziaływać ze światłem, jednocześnie umożliwiając mu przechodzenie. Spektroskopia absorpcyjna jest przydatna do identyfikacji substancji chemicznych i może być stosowana do różnicowania pierwiastków lub związków w mieszaninie.
Ta metoda jest również niezwykle ważna we współczesnej astronomii i jest często stosowana do badania temperatury i składu chemicznego ciał niebieskich. Spektroskopia astronomiczna mierzy również prędkość odległych obiektów, wykorzystując efekt Dopplera. Fale świetlne z obiektu, który porusza się w kierunku obserwatora, wydają się mieć wyższe częstotliwości, a zatem mniejsze długości fali niż fale świetlne z obiektu w spoczynku względem obserwatora, podczas gdy fale z obiektu, który się oddala, wydają się mieć niższe częstotliwości. Zjawiska te nazywane są odpowiednio przesunięciem niebieskiego i przesunięciem ku czerwieni, ponieważ podniesienie częstotliwości fali światła widzialnego przesuwa ją w kierunku niebieskiego / fioletowego końca widma, natomiast obniżenie częstotliwości przesuwa ją w kierunku czerwieni.
Inną ważną formą spektroskopii optycznej jest spektroskopia emisyjna. Kiedy atomy lub cząsteczki są wzbudzane przez zewnętrzne źródło energii, takie jak światło lub ciepło, chwilowo zwiększają poziom energii przed powrotem do stanu podstawowego. Kiedy wzbudzone cząstki powracają do stanu podstawowego, uwalniają nadmiar energii w postaci fotonów. Podobnie jak w przypadku absorpcji, różne substancje emitują fotony o różnych długościach fali, które można następnie zmierzyć i przeanalizować. W jednej powszechnej formie tej techniki, zwanej spektroskopią fluorescencyjną, badany podmiot jest energetyzowany światłem, zwykle światłem ultrafioletowym. W atomowej spektroskopii emisyjnej stosuje się ogień, elektryczność lub plazmę.
Spektroskopia fluorescencyjna jest powszechnie stosowana w biologii i medycynie, ponieważ jest mniej szkodliwa dla materiałów biologicznych niż inne metody i ponieważ niektóre cząsteczki organiczne są naturalnie fluorescencyjne. Spektroskopia absorpcji atomowej jest stosowana w analizie chemicznej i jest szczególnie skuteczna w wykrywaniu metali. Różne rodzaje spektroskopii absorpcji atomowej są wykorzystywane do takich celów, jak identyfikacja cennych minerałów w rudach, analiza dowodów z miejsc zbrodni oraz utrzymanie kontroli jakości w metalurgii i przemyśle.