Vad är optisk spektroskopi?
Optisk spektroskopi är ett sätt att studera egenskaperna hos fysiska objekt baserat på att mäta hur ett objekt avger och interagerar med ljus. Det kan användas för att mäta attribut som ett objekts kemiska sammansättning, temperatur och hastighet. Det involverar synligt, ultraviolett eller infrarött ljus, ensam eller i kombination, och ingår i en större grupp spektroskopiska tekniker som kallas elektromagnetisk spektroskopi. Optisk spektroskopi är en viktig teknik inom moderna vetenskapliga områden som kemi och astronomi.
Ett objekt blir synligt genom att avge eller reflektera fotoner, och våglängderna för dessa fotoner beror på objektets sammansättning, tillsammans med andra attribut såsom temperatur. Det mänskliga ögat uppfattar närvaron och frånvaron av olika våglängder som olika färger. Exempelvis uppfattas fotoner med en våglängd mellan 620 och 750 nanometer som röda, och så ett objekt som primärt avger eller reflekterar fotoner inom det området ser rött ut. Med hjälp av en enhet som kallas en spektrometer kan ljus analyseras med mycket större precision. Denna exakta mätning - i kombination med en förståelse för de olika egenskaperna hos ljus som olika ämnen producerar, reflekterar eller absorberar under olika förhållanden - är grunden för optisk spektroskopi.
Olika kemiska element och föreningar varierar i hur de avger eller interagerar med fotoner på grund av kvantmekaniska skillnader i atomerna och molekylerna som komponerar dem. Det ljus som mäts med en spektrometer efter att ljuset har reflekterats från, passerat genom eller släppts ut av objektet som studeras har vad som kallas spektrallinjer. Dessa linjer är skarpa diskontinuiteter av ljus eller mörker i spektrumet som indikerar ovanligt höga eller ovanligt låga antal fotoner med speciella våglängder. Olika ämnen producerar distinkta spektrallinjer som kan användas för att identifiera dem. Dessa spektrallinjer påverkas också av faktorer som objektets temperatur och hastighet, så spektroskopi kan också användas för att mäta dessa också. Förutom våglängden kan andra egenskaper hos ljuset, såsom dess intensitet, också ge användbar information.
Optisk spektroskopi kan göras på flera olika sätt beroende på vad som studeras. Enskilda spektrometrar är specialiserade enheter som fokuserar på exakt analys av specifika, smala delar av det elektromagnetiska spektrumet. De finns därför i en mängd olika typer för olika applikationer.
En huvudsaklig typ av optisk spektroskopi, kallad absorptionsspektroskopi, är baserad på att identifiera vilka våglängder för ett ämne som absorberar genom att mäta fotonerna som det tillåter att passera genom. Ljuset kan produceras specifikt för detta ändamål med utrustning som lampor eller lasrar eller kan komma från en naturlig källa, såsom stjärnbelysning. Det används oftast med gaser, som är tillräckligt diffusa för att interagera med ljus och ändå låta det passera. Absorptionsspektroskopi är användbart för att identifiera kemikalier och kan användas för att differentiera element eller föreningar i en blandning.
Denna metod är också oerhört viktig i modern astronomi och används ofta för att studera temperaturen och den kemiska sammansättningen av himmelsföremål. Astronomisk spektroskopi mäter också hastigheten för avlägsna föremål genom att utnyttja Doppler-effekten. Ljusvågor från ett objekt som rör sig mot observatören verkar ha högre frekvenser och därmed lägre våglängder än ljusvågor från ett objekt i vila relativt observatören, medan vågorna från ett objekt som rör sig bort verkar ha lägre frekvenser. Dessa fenomen kallas blåskift respektive rödförskjutning, eftersom höjningen av frekvensen för en våg med synligt ljus flyttar det mot den blå / violetta änden av spektrumet, medan frekvensen sänks flyttar den mot rött.
En annan viktig form för optisk spektroskopi kallas emissionspektroskopi. När atomer eller molekyler exciteras av en extern energikälla som ljus eller värme, ökar de tillfälligt i energinivån innan de tappar tillbaka till sitt marktillstånd. När de upphetsade partiklarna återgår till sitt marktillstånd frigör de överskottsenergin i form av fotoner. Såsom är fallet med absorption avger olika ämnen fotoner med olika våglängder som sedan kan mätas och analyseras. I en vanlig form av denna teknik, kallad fluorescensspektroskopi, aktiveras personen som analyseras med ljus, vanligtvis ultraviolett ljus. I atomutsläpp används spektroskopi, eld, elektricitet eller plasma.
Fluorescensspektroskopi används ofta inom biologi och medicin, eftersom det är mindre skadligt för biologiska material än andra metoder och eftersom vissa organiska molekyler är naturligt fluorescerande. Atomabsorptionsspektroskopi används i kemisk analys och är särskilt effektiv för att detektera metaller. Olika typer av atomabsorptionsspektroskopi används för syften som att identifiera värdefulla mineraler i malmer, analysera bevis från brottsplatser och upprätthålla kvalitetskontroll inom metallurgi och industri.