Ce este spectroscopia optică?

Spectroscopia optică este un mijloc de studiere a proprietăților obiectelor fizice, bazat pe măsurarea modului în care un obiect emite și interacționează cu lumina. Poate fi folosit pentru a măsura atribute precum compoziția chimică a unui obiect, temperatura și viteza. Acesta implică lumină vizibilă, ultravioletă sau infraroșie, singură sau în combinație, și face parte dintr-un grup mai mare de tehnici spectroscopice numite spectroscopie electromagnetică. Spectroscopia optică este o tehnică importantă în domenii științifice moderne precum chimia și astronomia.

Un obiect devine vizibil prin emiterea sau reflectarea de fotoni, iar lungimile de undă ale acestor fotoni depind de compoziția obiectului, împreună cu alte atribute precum temperatura. Ochiul uman percepe prezența și absența diferitelor lungimi de undă ca culori diferite. De exemplu, fotonii cu o lungime de undă de 620 până la 750 de nanometri sunt percepuți ca roșii și, astfel, un obiect care emite sau reflectă în principal fotoni în acel interval arată roșu. Folosind un dispozitiv numit spectrometru, lumina poate fi analizată cu mult mai mare precizie. Această măsurătoare precisă – combinată cu înțelegerea diferitelor proprietăți ale luminii pe care diferitele substanțe le produc, reflectă sau absorb în diferite condiții – este baza spectroscopiei optice.

Diferiții elemente chimice și compuși variază în modul în care emit sau interacționează cu fotonii datorită diferențelor mecanice cuantice dintre atomii și moleculele care le compun. Lumina măsurată de un spectrometru după ce lumina a fost reflectată, trecută sau emisă de obiectul studiat are ceea ce se numesc linii spectrale. Aceste linii sunt discontinuități ascuțite de lumină sau întuneric în spectru care indică un număr neobișnuit de mare sau neobișnuit de scăzut de fotoni cu anumite lungimi de undă. Diferitele substanțe produc linii spectrale distincte care pot fi folosite pentru a le identifica. Aceste linii spectrale sunt, de asemenea, afectate de factori precum temperatura și viteza obiectului, astfel încât spectroscopia poate fi folosită și pentru măsurarea acestora. Pe lângă lungimea de undă, alte caracteristici ale luminii, cum ar fi intensitatea acesteia, pot oferi și informații utile.

Spectroscopia optică se poate face în mai multe moduri diferite, în funcție de ceea ce este studiat. Spectrometrele individuale sunt dispozitive specializate care se concentrează pe analiza precisă a unor părți specifice, înguste, ale spectrului electromagnetic. Prin urmare, ele există într-o mare varietate de tipuri pentru diferite aplicații.

Un tip major de spectroscopie optică, numită spectroscopie de absorbție, se bazează pe identificarea lungimilor de undă de lumină pe care o substanță le absoarbe prin măsurarea fotonilor prin care îi permite să treacă. Lumina poate fi produsă special în acest scop cu echipamente precum lămpi sau lasere sau poate proveni dintr-o sursă naturală, cum ar fi lumina stelelor. Este cel mai frecvent utilizat cu gazele, care sunt suficient de difuze pentru a interacționa cu lumina, permițându-i totodată să treacă. Spectroscopia de absorbție este utilă pentru identificarea substanțelor chimice și poate fi utilizată pentru a diferenția elementele sau compușii dintr-un amestec.

Această metodă este, de asemenea, extrem de importantă în astronomia modernă și este adesea folosită pentru a studia temperatura și compoziția chimică a obiectelor cerești. Spectroscopia astronomică măsoară și viteza obiectelor îndepărtate profitând de efectul Doppler. Undele luminoase de la un obiect care se deplasează către observator par să aibă frecvențe mai mari și, prin urmare, lungimi de undă mai mici decât undele luminoase de la un obiect în repaus față de observator, în timp ce undele de la un obiect care se îndepărtează par să aibă frecvențe mai mici. Aceste fenomene se numesc deplasare spre albastru și, respectiv, deplasare spre roșu, deoarece creșterea frecvenței unui val de lumină vizibilă o deplasează spre capătul albastru/violet al spectrului, în timp ce scăderea frecvenței o mută spre roșu.
O altă formă importantă de spectroscopie optică se numește spectroscopie de emisii. Când atomii sau moleculele sunt excitați de o sursă de energie exterioară, cum ar fi lumina sau căldura, ele cresc temporar nivelul de energie înainte de a reveni la starea lor fundamentală. Când particulele excitate revin la starea lor fundamentală, eliberează excesul de energie sub formă de fotoni. Ca și în cazul absorbției, diferite substanțe emit fotoni de lungimi de undă diferite care pot fi apoi măsurați și analizați. Într-o formă comună a acestei tehnici, numită spectroscopie de fluorescență, subiectul analizat este energizat cu lumină, de obicei cu lumină ultravioletă. În spectroscopia cu emisii atomice se utilizează focul, electricitatea sau plasmă.

Spectroscopia cu fluorescență este utilizată în mod obișnuit în biologie și medicină, deoarece dăunează mai puțin materialelor biologice decât alte metode și deoarece unele molecule organice sunt fluorescente în mod natural. Spectroscopia de absorbție atomică este utilizată în analiza chimică și este deosebit de eficientă pentru detectarea metalelor. Diferite tipuri de spectroscopie de absorbție atomică sunt utilizate în scopuri precum identificarea mineralelor valoroase în minereuri, analiza probelor de la scenele crimei și menținerea controlului calității în metalurgie și industrie.