Ngành nghiên cứu phổ học

Quang phổ học hay Phổ học là lĩnh vực nghiên cứu sự tương tác giữa vật chất và bức xạ điện từ (qua quang phổ điện tử, quang phổ nguyên tử, v.v.). Lịch sử của quang phổ bắt nguồn từ việc nghiên cứu ánh sáng khả kiến phân tán theo bước sóng của nó qua một lăng kính. Sau đó, khái niệm này được mở rộng để bao gồm mọi dạng tương tác với năng lượng bức xạ, bất kể là bước sóng hay tần số, chủ yếu trong phổ điện từ, nhưng cũng có thể áp dụng cho sóng vật chất và sóng âm. Gần đây, ngay cả sóng hấp dẫn cũng được liên kết với một chữ ký quang phổ trong các nghiên cứu của Đài quan sát sóng hấp dẫn giao thoa kế laser (LIGO) và giao thoa kế laser. Dữ liệu phổ thường được thể hiện dưới dạng phổ phát xạ, biểu đồ đáp ứng theo bước sóng hoặc tần số.

Quang phổ, đặc biệt trong phổ điện từ, là công cụ quan trọng trong vật lý, hóa học và thiên văn học, giúp nghiên cứu thành phần, cấu trúc vật lý và cấu trúc điện tử của vật chất ở quy mô nguyên tử, phân tử, vĩ mô và khoảng cách thiên văn. Quang phổ cũng có ứng dụng quan trọng trong lĩnh vực y sinh như phân tích mô và hình ảnh y tế.

Giới thiệu

Quang phổ là thuật ngữ dùng để đo cường độ bức xạ theo bước sóng và thường mô tả các phương pháp phổ thực nghiệm. Thiết bị đo quang phổ được gọi là máy quang phổ hoặc máy phân tích quang phổ.

Quan sát màu sắc hàng ngày có thể liên quan đến quang phổ. Ví dụ, ánh sáng neon là ứng dụng trực tiếp của quang phổ nguyên tử, nơi neon và các khí trơ phát ra màu sắc đặc trưng. Đèn neon tạo ra ánh sáng qua va chạm của electron với khí. Mực, thuốc nhuộm và sơn cũng chứa các hợp chất hóa học với các đặc tính phổ đặc biệt để tạo ra màu sắc cụ thể. Nitơ dioxide, ví dụ, tạo ra màu nâu đỏ trong không khí ô nhiễm, trong khi hiện tượng tán xạ Rayleigh giải thích màu sắc của bầu trời.

Nghiên cứu quang phổ đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của cơ học lượng tử, bao gồm lý thuyết bức xạ đen của Max Planck, giải thích của Albert Einstein về hiệu ứng quang điện và cấu trúc nguyên tử của Niels Bohr. Trong hóa học vật lý và phân tích, quang phổ giúp nhận diện, xác định và định lượng các nguyên tử và phân tử qua phổ độc đáo của chúng. Quang phổ cũng được ứng dụng trong thiên văn học để xác định thành phần hóa học và các thuộc tính của các vật thể thiên văn như nhiệt độ và vận tốc.

Lý thuyết

Một khái niệm quan trọng trong quang phổ là cộng hưởng và tần số cộng hưởng tương ứng. Cộng hưởng đầu tiên được nghiên cứu trong các hệ thống cơ học như con lắc, nơi các hệ thống dao động sẽ có biên độ lớn khi kích thích ở tần số cộng hưởng. Biểu đồ biên độ theo tần số kích thích sẽ cho thấy cực đại tại tần số cộng hưởng. Biểu đồ này là một dạng phổ, với các cực đại thường được gọi là vạch phổ và có dạng tương tự nhau.

Trong cơ học lượng tử, cộng hưởng xảy ra khi hai trạng thái đứng yên của một hệ, như một nguyên tử, kết hợp qua một nguồn năng lượng dao động như photon. Hiệu quả cộng hưởng mạnh nhất khi năng lượng của nguồn khớp với sự chênh lệch năng lượng giữa hai trạng thái. Năng lượng của một photon liên quan đến tần số của nó bằng công thức E = hν, với h là hằng số Planck. Do đó, phổ đáp ứng của hệ thống sẽ đạt cực đại tại tần số cộng hưởng. Các hạt như electron và neutron cũng có thể trải qua tương tác cộng hưởng thông qua mối quan hệ de Broglie giữa động năng và bước sóng, tần số của chúng.

Quang phổ của nguyên tử và phân tử thường bao gồm nhiều vạch quang phổ, mỗi vạch đại diện cho sự cộng hưởng giữa hai trạng thái lượng tử khác nhau. Sự giải thích các loạt phổ này và các mô hình liên quan đã thúc đẩy sự phát triển của cơ học lượng tử. Chuỗi phổ của hydro lần đầu tiên được giải thích thành công bằng mô hình Rutherford-Bohr. Một số vạch quang phổ có thể tách biệt rõ ràng, nhưng cũng có thể chồng lấn và trông như một vạch duy nhất khi mật độ trạng thái năng lượng cao. Các loạt tên bao gồm vạch sắc nét, khuếch tán và cơ bản.

Phân loại phương thức

Một hiện tượng nhiễu xạ nổi bật nằm tại trung tâm của máy quang phổ ESPRESSO cực kỳ chính xác.

Quang phổ là một lĩnh vực rộng lớn với nhiều chuyên ngành khác nhau, mỗi chuyên ngành sử dụng các kỹ thuật quang phổ cụ thể. Những kỹ thuật và triển khai này có thể được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau.

Loại năng lượng bức xạ

Các loại quang phổ được phân loại dựa trên loại năng lượng bức xạ tham gia vào quá trình tương tác. Trong nhiều ứng dụng, quang phổ được xác định bằng cách đo sự thay đổi về cường độ và tần số của loại năng lượng này. Các loại năng lượng bức xạ được nghiên cứu bao gồm:

• Bức xạ điện từ là nguồn năng lượng chính cho nghiên cứu quang phổ. Các kỹ thuật quang phổ sử dụng bức xạ điện từ thường được phân loại theo vùng bước sóng và bao gồm vi sóng, terahertz, hồng ngoại, cận hồng ngoại, tia cực tím, tia X và quang phổ gamma.
• Các hạt, với sóng de Broglie của chúng, cũng có thể là nguồn năng lượng bức xạ. Quang phổ điện tử và neutron thường được áp dụng. Đối với một hạt, động năng của nó xác định bước sóng.
• Quang phổ âm học liên quan đến sóng áp suất bức xạ.
• Phân tích cơ học động có thể được áp dụng để truyền năng lượng bức xạ, tương tự như sóng âm, đến các vật liệu rắn.

Bản chất của sự tương tác

Các loại quang phổ có thể được phân loại dựa trên bản chất của sự tương tác giữa năng lượng và vật liệu. Các tương tác này bao gồm:

• Quang phổ hấp thụ: Xảy ra khi năng lượng từ nguồn bức xạ được vật liệu hấp thụ. Mức độ hấp thụ thường được xác định bằng cách đo lượng năng lượng còn lại sau khi truyền qua vật liệu, với mức độ hấp thụ tương ứng với phần năng lượng bị giảm.
• Quang phổ phát xạ: Đề cập đến năng lượng bức xạ được phát ra từ vật liệu. Phổ phát xạ của vật liệu là phổ tự phát, phụ thuộc vào nhiệt độ của vật liệu đó. Đo phổ này có thể được thực hiện bằng hồng ngoại qua các thiết bị như giao thoa kế. Phát xạ cũng có thể xảy ra do các nguồn năng lượng khác như ngọn lửa, tia lửa, hoặc bức xạ điện từ trong trường hợp huỳnh quang.
• Quang phổ tán xạ đàn hồi và phổ phản xạ thể hiện cách bức xạ sự cố bị phản xạ hoặc tán xạ bởi vật liệu. Tinh thể học sử dụng tán xạ bức xạ năng lượng cao như tia X và electron để phân tích cấu trúc nguyên tử trong protein và tinh thể rắn.
• Quang phổ trở kháng: Mô tả khả năng của môi trường trong việc cản trở hoặc làm giảm sự truyền năng lượng. Trong quang học, điều này thường được đặc trưng bằng chỉ số khúc xạ.
• Tán xạ không đàn hồi liên quan đến sự trao đổi năng lượng giữa bức xạ và vật chất, dẫn đến thay đổi bước sóng của bức xạ. Ví dụ gồm tán xạ Raman và Compton.
• Quang phổ kết hợp hoặc cộng hưởng bao gồm các kỹ thuật trong đó năng lượng bức xạ kết hợp hai trạng thái lượng tử của vật liệu trong một tương tác duy trì bởi trường bức xạ. Sự kết hợp này có thể bị phá vỡ bởi các tương tác khác như va chạm hạt và truyền năng lượng, đòi hỏi bức xạ cường độ cao để duy trì. Quang phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) là một phương pháp cộng hưởng phổ biến, và quang phổ laser cực nhanh có thể được áp dụng trong các vùng hồng ngoại và khả kiến.

Loại vật liệu

Các nghiên cứu quang phổ được thiết kế sao cho năng lượng bức xạ tương tác với các loại vật liệu cụ thể.

Quang phổ nguyên tử là ứng dụng đầu tiên của quang phổ học được phát triển. Quang phổ hấp thụ và phát xạ nguyên tử liên quan đến ánh sáng nhìn thấy và tia cực tím. Các vạch phổ nguyên tử, xuất hiện do sự chuyển đổi của các electron lớp vỏ ngoài giữa các quỹ đạo khác nhau, gây ra sự hấp thụ và phát xạ. Các nguyên tử còn có quang phổ tia X đặc trưng do sự kích thích của các electron lớp vỏ bên trong.

Mỗi nguyên tố có quang phổ nguyên tử riêng biệt, cho phép xác định và định lượng thành phần nguyên tố trong mẫu. Sau khi máy quang phổ được phát minh, Robert Bunsen và Gustav Kirchhoff đã phát hiện các nguyên tố mới bằng cách quan sát phổ phát xạ của chúng. Các dòng hấp thụ nguyên tử được thấy trong phổ mặt trời, được gọi là các dòng Fraunhofer. Giải thích toàn diện về phổ hydro là một thành công quan trọng của cơ học lượng tử, giúp giải thích sự dịch chuyển Lamb trong phổ hydro, thúc đẩy sự phát triển của điện động lực học lượng tử.

Các ứng dụng hiện đại của quang phổ nguyên tử để nghiên cứu trong các vùng nhìn thấy và tia 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.

Sự kết hợp các nguyên tử thành phân tử tạo ra các trạng thái năng lượng độc đáo, dẫn đến quang phổ đặc trưng cho sự chuyển tiếp giữa các trạng thái này. Quang phổ phân tử có thể được thu được từ các 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, tạo ra quang phổ trong các vùng sóng vi ba và milimet. Quang phổ quay và vi sóng là đồng nghĩa. Rung động là chuyển động tương đối của hạt nhân và được nghiên cứu qua phổ hồng ngoại và phổ Raman. Kích thích điện tử được nghiên cứu bằng quang phổ nhìn thấy, tia cực tím và quang phổ huỳnh quang.

Nghiên cứu quang phổ phân tử đã dẫn đến việc phát triển maser đầu tiên và góp phần vào sự tiến bộ của công nghệ laser sau này.

Khi các nguyên tử hoặc phân tử kết hợp để tạo thành tinh thể hoặc các dạng mở rộng khác, chúng tạo ra các trạng thái năng lượng bổ sung. Số lượng các trạng thái này rất lớn, dẫn đến mật độ trạng thái cao, làm cho quang phổ trở nên yếu và rộng hơn, ít đặc trưng hơn. Ví dụ, bức xạ của người đen xuất phát từ chuyển động nhiệt của các nguyên tử và phân tử trong vật liệu. Các phản ứng âm thanh và cơ học do chuyển động tập thể của chúng tạo ra. Tuy nhiên, các tinh thể tinh khiết có thể có các chuyển tiếp quang phổ đặc trưng và cấu trúc tinh thể cũng ảnh hưởng đến quang phổ phân tử quan sát được. Các mạng tinh thể phổ biến cũng tán xạ tia X, electron hoặc neutron, giúp nghiên cứu tinh thể học.

Các hạt nhân có các trạng thái năng lượng riêng biệt, phân tách rộng rãi, dẫn đến phổ tia gamma. Các trạng thái spin hạt nhân khác biệt có thể được phân tách năng lượng bằng từ trường, cho phép thực hiện quang phổ cộng hưởng từ hạt nhân.

Các loại khác

Các loại quang phổ khác được phân loại theo các ứng dụng hoặc triển khai cụ thể:

Ứng dụng

• Giám sát sửa chữa vật liệu tổng hợp bằng công nghệ sợi quang.
• Xác định thời gian tiếp xúc với gỗ bị phong hóa qua phổ hồng ngoại gần.
• Đo lường các hợp chất trong thực phẩm sử dụng phương pháp quang phổ hấp thụ cả trong vùng nhìn thấy và hồng ngoại.
• Xác định các hợp chất độc hại trong mẫu máu.
• Phân tích nguyên tố không phá hủy bằng quang phổ huỳnh quang tia X.
• Nghiên cứu cấu trúc điện tử qua các loại quang phổ khác nhau.

Lịch sử

Lịch sử quang phổ học bắt đầu từ các thí nghiệm quang học của Isaac Newton vào khoảng năm 1666-1672. Newton đã dùng thuật ngữ 'quang phổ' để mô tả hiện tượng ánh sáng trắng bị phân tán thành cầu vồng màu sắc khi đi qua lăng kính. Vào đầu thế kỷ 19, Joseph von Fraunhofer đã cải tiến kỹ thuật quang phổ bằng cách sử dụng máy quang phổ tán sắc, giúp quang phổ trở thành một công cụ khoa học chính xác hơn. Từ đó, quang phổ học đã và đang giữ vai trò quan trọng trong các lĩnh vực hóa học, vật lý và thiên văn học.

• 'Vào năm 1672, Isaac Newton đã trình bày một bài báo đầu tiên với Hội Hoàng gia, mô tả thí nghiệm trong đó ánh sáng mặt trời được cho qua một lỗ nhỏ và lăng kính. Newton phát hiện rằng ánh sáng mặt trời, dù trông trắng, thực ra là sự kết hợp của tất cả màu sắc của cầu vồng.'
• 'Năm 1802, William Hyde Wollaston đã chế tạo một máy quang phổ cải tiến, sử dụng thấu kính để chiếu phổ mặt trời lên màn hình. Wollaston nhận thấy rằng ánh sáng không đồng đều mà có các dải màu tối. Sau đó, vào năm 1815, Joseph Fraunhofer đã phát hiện ra khoảng 600 vạch tối trong phổ mặt trời, hiện được gọi là vạch Fraunhofer hay đường hấp thụ.'

Liên kết ngoài

• Các liên kết về quang phổ học trên DMOZ
• Các liên kết về quang phổ học nghiệp dư trên DMOZ