Что такое оптическая спектроскопия?

Оптическая спектроскопия - это средство изучения свойств физических объектов, основанное на измерении того, как объект излучает свет и взаимодействует с ним. Его можно использовать для измерения таких атрибутов, как химический состав объекта, температура и скорость. Он включает видимый, ультрафиолетовый или инфракрасный свет, по отдельности или в комбинации, и является частью большей группы спектроскопических методов, называемых электромагнитной спектроскопией. Оптическая спектроскопия является важной техникой в ​​современных научных областях, таких как химия и астрономия.

Объект становится видимым, испуская или отражая фотоны, и длины волн этих фотонов зависят от состава объекта, наряду с другими атрибутами, такими как температура. Человеческий глаз воспринимает наличие и отсутствие разных длин волн как разные цвета. Например, фотоны с длиной волны от 620 до 750 нанометров воспринимаются как красные, и поэтому объект, который в основном излучает или отражает фотоны в этом диапазоне, выглядит красным. Используя устройство, называемое спектрометром, свет можно анализировать с гораздо большей точностью. Это точное измерение - в сочетании с пониманием различных свойств света, который различные вещества производят, отражают или поглощают в различных условиях - является основой оптической спектроскопии.

Различные химические элементы и соединения различаются по тому, как они излучают или взаимодействуют с фотонами из-за квантово-механических различий в атомах и молекулах, которые их составляют. Свет, измеренный спектрометром после того, как он был отражен, пройден или испущен исследуемым объектом, имеет так называемые спектральные линии. Эти линии представляют собой резкие разрывы света или темноты в спектре, которые указывают на необычно высокое или необычно низкое количество фотонов с определенной длиной волны. Различные вещества производят отличительные спектральные линии, которые могут быть использованы для их идентификации. На эти спектральные линии также влияют такие факторы, как температура и скорость объекта, поэтому для их измерения также можно использовать спектроскопию. Помимо длины волны, другие характеристики света, такие как его интенсивность, также могут предоставить полезную информацию.

Оптическая спектроскопия может быть выполнена несколькими различными способами, в зависимости от того, что изучается. Индивидуальные спектрометры - это специализированные устройства, которые фокусируются на точном анализе конкретных узких частей электромагнитного спектра. Поэтому они существуют в широком разнообразии типов для различных применений.

Один из основных типов оптической спектроскопии, называемый абсорбционной спектроскопией, основан на определении того, на каких длинах волн вещество поглощает вещество, путем измерения фотонов, через которые оно проходит. Свет может быть произведен специально для этой цели с помощью оборудования, такого как лампы или лазеры, или может исходить от естественного источника, такого как звездный свет. Чаще всего он используется с газами, которые достаточно рассеивают, чтобы взаимодействовать со светом, но при этом позволяют ему проходить сквозь него. Абсорбционная спектроскопия полезна для идентификации химических веществ и может использоваться для дифференциации элементов или соединений в смеси.

Этот метод также чрезвычайно важен в современной астрономии и часто используется для изучения температуры и химического состава небесных объектов. Астрономическая спектроскопия также измеряет скорость удаленных объектов, используя эффект Доплера. Световые волны от объекта, который движется к наблюдателю, по-видимому, имеют более высокие частоты и, следовательно, более низкие длины волн, чем световые волны от объекта, находящегося в состоянии покоя, относительно наблюдателя, в то время как волны от объекта, который удаляется, кажется, имеют более низкие частоты. Эти явления называются смещением синего и красным смещением, соответственно, потому что увеличение частоты волны видимого света перемещает ее к сине-фиолетовому концу спектра, а понижение частоты - к красному.

Другая важная форма оптической спектроскопии называется эмиссионной спектроскопией. Когда атомы или молекулы возбуждаются внешним источником энергии, таким как свет или тепло, они временно увеличивают уровень энергии, прежде чем вернуться в свое основное состояние. Когда возбужденные частицы возвращаются в свое основное состояние, они выпускают избыточную энергию в форме фотонов. Как и в случае с поглощением, разные вещества испускают фотоны с разными длинами волн, которые затем могут быть измерены и проанализированы. В одной из распространенных форм этой техники, называемой флуоресцентной спектроскопией, исследуемый объект заряжается светом, обычно ультрафиолетовым светом. В атомно-эмиссионной спектроскопии используется огонь, электричество или плазма.

Флуоресцентная спектроскопия обычно используется в биологии и медицине, поскольку она менее вредна для биологических материалов, чем другие методы, и потому что некоторые органические молекулы являются естественными флуоресцентными. Атомно-абсорбционная спектроскопия используется в химическом анализе и особенно эффективна для обнаружения металлов. Различные типы атомно-абсорбционной спектроскопии используются для таких целей, как выявление ценных минералов в рудах, анализ улик с мест преступления и поддержание контроля качества в металлургии и промышленности.