Spektroskopia optyczna to sposób badania właściwości obiektów fizycznych na podstawie pomiaru, w jaki sposób obiekt emituje i oddziałuje ze światłem. Może być używany do pomiaru atrybutów, takich jak skład chemiczny obiektu, temperatura i prędkość. Obejmuje światło widzialne, ultrafioletowe lub podczerwone, pojedynczo lub w połączeniu, i jest częścią większej grupy technik spektroskopowych zwanych spektroskopią elektromagnetyczną. Spektroskopia optyczna jest ważną techniką we współczesnych dziedzinach nauki, takich jak chemia i astronomia.
Obiekt staje się widoczny poprzez emitowanie lub odbijanie fotonów, a długości fal tych fotonów zależą od składu obiektu, wraz z innymi atrybutami, takimi 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 więc obiekt, który głównie 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 pochłaniają w różnych warunkach — stanowi podstawę spektroskopii optycznej.
Różne pierwiastki i związki chemiczne różnią się sposobem, w jaki emitują lub oddziałują z fotonami ze względu na różnice w mechanice kwantowej atomów i molekuł, które je tworzą. Światło mierzone przez spektrometr po odbiciu, przejściu lub wyemitowaniu przez badany obiekt ma tak zwane linie spektralne. Linie te są ostrymi nieciągłościami światła lub ciemności w widmie, które wskazują na niezwykle 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 mają również wpływ takie czynniki, jak temperatura i prędkość obiektu, więc spektroskopię można również wykorzystać do ich pomiaru. Oprócz długości fali inne właściwości światła, takie jak jego intensywność, mogą również dostarczyć przydatnych informacji.
Spektroskopię optyczną można wykonać na kilka różnych sposobów, w zależności od tego, co jest badane. Spektrometry indywidualne to specjalistyczne urządzenia, które skupiają się na precyzyjnej analizie określonych, wąskich fragmentów widma elektromagnetycznego. Dlatego istnieją w wielu różnych typach do różnych zastosowań.
Jeden z głównych rodzajów spektroskopii optycznej, zwany spektroskopią absorpcyjną, opiera się na identyfikowaniu długości fal światła absorbowanych przez substancję poprzez pomiar fotonów, przez które przepuszcza. Światło może być wytwarzane specjalnie do tego celu za pomocą sprzętu takiego jak lampy lub lasery lub może pochodzić z naturalnego źródła, takiego jak światło gwiazd. Najczęściej stosuje się go z gazami, które są wystarczająco rozproszone, aby wchodzić w interakcje ze światłem, jednocześnie przepuszczając je. Spektroskopia absorpcyjna jest przydatna do identyfikacji substancji chemicznych i może być stosowana do różnicowania pierwiastków lub związków w mieszaninie.
Metoda ta jest również niezwykle ważna we współczesnej astronomii i jest często wykorzystywana 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 tym samym mniejsze długości fal niż fale świetlne z obiektu w spoczynku w stosunku do obserwatora, podczas gdy fale z obiektu, który się oddala, wydają się mieć niższe częstotliwości. Zjawiska te nazywane są odpowiednio przesunięciem do niebieskiego i przesunięcia ku czerwieni, ponieważ podniesienie częstotliwości fali światła widzialnego przesuwa ją w kierunku niebiesko-fioletowego końca widma, podczas gdy obniżanie 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, tymczasowo zwiększają poziom energii, zanim powrócą do stanu podstawowego. Gdy wzbudzone cząstki powracają do stanu podstawowego, uwalniają nadmiar energii w postaci fotonów. Podobnie jak w przypadku absorpcji, różne substancje emitują fotony o różnych długościach fal, które można następnie mierzyć i analizować. W jednej z powszechnych form tej techniki, zwanej spektroskopią fluorescencyjną, analizowany obiekt jest zasilany światłem, zwykle światłem ultrafioletowym. W spektroskopii emisji atomowej 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, a 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 celów takich jak identyfikacja cennych minerałów w rudach, analiza dowodów z miejsc przestępstw oraz utrzymywanie kontroli jakości w hutnictwie i przemyśle.