Phổ học

Quang phổ học hay Phổ học là ngành nghiên cứu về sự tương tác giữa vật chất và bức xạ điện từ (thông qua quang phổ điện tử, quang phổ nguyên tử...). Về mặt lịch sử, quang phổ bắt nguồn từ nghiên cứu ánh sáng khả kiến phân tán theo bước sóng của nó, bởi một lăng kính. Sau đó, khái niệm này đã được mở rộng đáng kể để bao gồm bất kỳ tương tác nào với năng lượng bức xạ như là một hàm của bước sóng hoặc tần số của nó, chủ yếu là trong phổ điện từ, mặc dù sóng vật chất và sóng âm cũng có thể được coi là dạng năng lượng bức xạ; Gần đây, với độ khó rất lớn, ngay cả sóng hấp dẫn đã được liên kết với một chữ ký quang phổ trong bối cảnh của Đài quan sát sóng hấp dẫn giao thoa kế laser (LIGO) và giao thoa kế laser. Dữ liệu phổ thường được biểu diễn bằng phổ phát xạ, biểu đồ đáp ứng của mối quan tâm, như là một hàm của bước sóng hoặc tần số.
Quang phổ, chủ yếu trong phổ điện từ, là một công cụ thăm dò cơ bản trong các lĩnh vực vật lý, hóa học và thiên văn học, cho phép nghiên cứu thành phần, cấu trúc vật lý và cấu trúc điện tử của vật chất ở quy mô nguyên tử, quy mô phân tử, quy mô vĩ mô và hơn thế nữa khoảng cách thiên văn. Các ứng dụng quan trọng phát sinh từ quang phổ y sinh trong các lĩnh vực phân tích mô và hình ảnh y tế.
Giới thiệu.
Quang phổ là các thuật ngữ được sử dụng để chỉ việc đo cường độ bức xạ như là một hàm của bước sóng và thường được sử dụng để mô tả các phương pháp phổ thực nghiệm. Các thiết bị đo quang phổ được gọi là máy quang phổ, máy đo quang phổ hoặc máy phân tích quang phổ.
Quan sát hàng ngày về màu sắc có thể liên quan đến quang phổ. Ánh sáng neon là một ứng dụng trực tiếp của quang phổ nguyên tử. Neon và các khí trơ có tần số phát thải đặc trưng (màu sắc). Đèn neon sử dụng va chạm của các electron với khí để kích thích những khí thải. Mực, thuốc nhuộm và sơn bao gồm các hợp chất hóa học được lựa chọn cho các đặc tính phổ của chúng để tạo ra màu sắc và màu sắc cụ thể. Một phổ phân tử thường gặp là nitơ dioxide. Nitrogen khí có tính năng hấp thụ màu đỏ đặc trưng, ​​và điều này làm cho không khí bị ô nhiễm với nitơ dioxide có màu nâu đỏ. Hiện tượng tán xạ Rayleigh là hiện tượng tán xạ quang phổ chiếm màu của bầu trời.
Các nghiên cứu quang phổ là trung tâm cho sự phát triển của cơ học lượng tử và bao gồm lời giải thích của bức xạ đen của Max Planck, lời giải thích của Albert Einstein về hiệu ứng quang điện và giải thích về cấu trúc nguyên tử và quang phổ của Niels Bohr. Quang phổ được sử dụng trong hóa học vật lý và phân tích vì các nguyên tử và phân tử có quang phổ độc đáo. Kết quả là, các phổ này có thể được sử dụng để phát hiện, xác định và định lượng thông tin về các nguyên tử và phân tử. Quang phổ cũng được dùng trong thiên văn học và cảm nhận từ xa trên Trái Đất. Hầu hết các kính thiên văn nghiên cứu đều có máy quang phổ. Phổ đo được sử dụng để xác định thành phần hóa học và tính chất vật lý của các vật thể thiên văn (như nhiệt độ và vận tốc của chúng).
Lý thuyết.
Một trong những khái niệm trung tâm trong quang phổ là cộng hưởng và tần số cộng hưởng tương ứng của nó. Cộng hưởng đầu tiên được đặc trưng trong các hệ thống cơ khí như con lắc. Các hệ thống cơ học dao động hoặc dao động sẽ trải qua các dao động biên độ lớn khi chúng được điều khiển ở tần số cộng hưởng của chúng. Một biểu đồ biên độ so với tần số kích thích sẽ có cực đại tập trung tại tần số cộng hưởng. Biểu đồ này là một loại phổ, với cực đại thường được gọi là một vạch phổ và hầu hết các vạch phổ có bề ngoài tương tự nhau.
Trong các hệ cơ học lượng tử, cộng hưởng tương tự là sự ghép của hai trạng thái đứng yên cơ học lượng tử của một hệ, chẳng hạn như một nguyên tử, thông qua một nguồn năng lượng dao động như photon. Sự kết hợp của hai trạng thái mạnh nhất khi năng lượng của nguồn khớp với chênh lệch năng lượng giữa hai trạng thái. Năng lượng của một photon có liên quan đến tần số của nó  {\ displaystyle (\ nu)Ư  bởi  {\ displaystyle E = h \ nu}  Ở đâu  {\ displaystyle h}  là hằng số của Planck, và do đó, phổ của đáp ứng hệ thống so với tần số photon sẽ đạt cực đại ở tần số hoặc năng lượng cộng hưởng. Các hạt như electron và neutron có mối quan hệ tương đương, mối quan hệ de Broglie giữa động năng của chúng với bước sóng và tần số của chúng và do đó cũng có thể kích thích các tương tác cộng hưởng.
Quang phổ của các nguyên tử và phân tử thường bao gồm một loạt các vạch quang phổ, mỗi vạch đại diện cho sự cộng hưởng giữa hai trạng thái lượng tử khác nhau. Giải thích của loạt bài này, và các mô hình quang phổ liên quan đến chúng, là một trong những điều bí ẩn thử nghiệm thúc đẩy sự phát triển và chấp nhận cơ học lượng tử. Chuỗi phổ hydro nói riêng lần đầu tiên được giải thích thành công bằng mô hình lượng tử Rutherford-Bohr của nguyên tử hydro. Trong một số trường hợp, các vạch quang phổ được phân tách và phân biệt tốt, nhưng các vạch quang phổ cũng có thể trùng nhau và dường như là một sự chuyển tiếp duy nhất nếu mật độ của các trạng thái năng lượng đủ cao. Loạt tên là dòng bao gồm chủ yếu, sắc nét, khuếch tán và hàng loạt cơ bản.
Phân loại phương thức.
Một nhiễu xạ rất lớn nằm ở trung tâm của máy quang phổ ESPRESSO cực kỳ chính xác.
Quang phổ là một lĩnh vực đủ rộng có nhiều phân ngành tồn tại, mỗi ngành có nhiều triển khai các kỹ thuật quang phổ cụ thể. Các triển khai và kỹ thuật khác nhau có thể được phân loại theo nhiều cách.
Loại năng lượng bức xạ.
Các loại quang phổ được phân biệt bởi loại năng lượng bức xạ liên quan đến tương tác. Trong nhiều ứng dụng, phổ được xác định bằng cách đo những thay đổi về cường độ và tần số của năng lượng này. Các loại năng lượng bức xạ được nghiên cứu bao gồm:
Bản chất của sự tương tác.
Các loại quang phổ cũng có thể được phân biệt bởi bản chất của sự tương tác giữa năng lượng và vật liệu. Những tương tác này bao gồm:
Loại vật liệu.
Các nghiên cứu quang phổ được thiết kế sao cho năng lượng bức xạ tương tác với các loại vật chất cụ thể.
Nguyên tử.
Quang phổ nguyên tử là ứng dụng đầu tiên của quang phổ học được phát triển. Quang phổ hấp thụ nguyên tử và quang phổ phát xạ nguyên tử liên quan đến ánh sáng nhìn thấy và tia cực tím. Những sự hấp thụ và phát thải này, thường được gọi là các vạch phổ nguyên tử, là do sự chuyển đổi điện tử của các electron lớp vỏ ngoài khi chúng tăng và giảm từ quỹ đạo này sang quỹ đạo khác. Các nguyên tử cũng có quang phổ tia X riêng biệt do sự kích thích của các electron lớp vỏ bên trong đến trạng thái kích thích.
Các nguyên tử của các nguyên tố khác nhau có quang phổ riêng biệt và do đó quang phổ nguyên tử cho phép xác định và định lượng thành phần nguyên tố của mẫu. Sau khi phát minh ra máy quang phổ, Robert Bunsen và Gustav Kirchhoff đã phát hiện ra các nguyên tố mới bằng cách quan sát phổ phát xạ của chúng. Các dòng hấp thụ nguyên tử được quan sát trong phổ mặt trời và được gọi là các dòng Fraunhofer sau khi người phát hiện ra chúng. Một lời giải thích toàn diện về phổ hydro là một thành công ban đầu của cơ học lượng tử và giải thích sự dịch chuyển Lamb được quan sát trong phổ hydro, điều này càng dẫn đến sự phát triển của điện động lực học lượng tử.
Các triển khai hiện đại của quang phổ nguyên tử để nghiên cứu các chuyển đổi nhìn thấy và cực tím bao gồm quang phổ phát xạ ngọn lửa, quang phổ phát xạ nguyên tử plasma kết hợp cảm ứng, quang phổ phóng điện phát quang, quang phổ plasma gây ra bằng lò vi sóng và quang phổ phát xạ tia lửa hoặc hồ quang. Kỹ thuật nghiên cứu quang phổ tia X bao gồm quang phổ tia X và huỳnh quang tia X.
Phân tử.
Sự kết hợp của các nguyên tử thành các phân tử dẫn đến việc tạo ra các loại trạng thái năng lượng độc đáo và do đó quang phổ duy nhất của sự chuyển tiếp giữa các trạng thái này. Phổ phân tử có thể thu được do trạng thái spin electron (cộng hưởng từ trường điện tử), quay phân tử, rung phân tử và trạng thái điện tử. Xoay là chuyển động tập thể của hạt nhân nguyên tử và thường dẫn đến quang phổ trong các vùng phổ sóng vi ba và milimet. Quang phổ quay và quang phổ vi sóng là đồng nghĩa. Rung động là chuyển động tương đối của hạt nhân nguyên tử và được nghiên cứu bằng cả phổ hồng ngoại và phổ Raman. Kích thích điện tử được nghiên cứu bằng quang phổ nhìn thấy và tia cực tím cũng như quang phổ huỳnh quang.
Các nghiên cứu về quang phổ phân tử đã dẫn đến sự phát triển của maser đầu tiên và góp phần vào sự phát triển tiếp theo của laser.
Pha lê và vật liệu mở rộng.
Sự kết hợp của các nguyên tử hoặc phân tử thành tinh thể hoặc các dạng mở rộng khác dẫn đến việc tạo ra các trạng thái năng lượng bổ sung. Những tiểu bang này rất nhiều và do đó có mật độ cao của các tiểu bang. Mật độ cao này thường làm cho quang phổ yếu hơn và ít khác biệt hơn, nghĩa là rộng hơn. Chẳng hạn, bức xạ của người đen là do chuyển động nhiệt của các nguyên tử và phân tử trong vật liệu. Phản ứng âm thanh và cơ học là do chuyển động tập thể là tốt. Tuy nhiên, các tinh thể tinh khiết có thể có sự chuyển tiếp quang phổ riêng biệt và sự sắp xếp tinh thể cũng có ảnh hưởng đến quang phổ phân tử quan sát được. Cấu trúc mạng tinh thể thông thường của các tinh thể cũng tán xạ tia X, electron hoặc neutron cho phép nghiên cứu về tinh thể học.
Hạt nhân.
Các hạt nhân cũng có các trạng thái năng lượng riêng biệt được phân tách rộng rãi và dẫn đến phổ tia gamma. Các trạng thái spin hạt nhân khác biệt có thể có năng lượng của chúng được phân tách bằng một từ trường, và điều này cho phép quang phổ cộng hưởng từ hạt nhân.
Các loại khác.
Các loại quang phổ khác được phân biệt bằng các ứng dụng hoặc triển khai cụ thể:
Lịch sử.
Lịch sử của quang phổ học bắt đầu với các thí nghiệm quang học của Isaac Newton (1666-1672). Newton đã áp dụng từ "quang phổ" để mô tả cầu vồng màu sắc kết hợp với nhau để tạo thành ánh sáng trắng và được tiết lộ khi ánh sáng trắng truyền qua lăng kính. Trong những năm đầu thập niên 1800, Joseph von Fraunhofer đã có những tiến bộ thử nghiệm với máy quang phổ tán sắc cho phép quang phổ trở thành một kỹ thuật khoa học chính xác và định lượng hơn. Kể từ đó, quang phổ học đã chơi và tiếp tục đóng một vai trò quan trọng trong hóa học, vật lý và thiên văn học.