Espectroscopia

Análisis de la luz blanca por dispersarlo con un prisma es un ejemplo de la espectroscopia.

Espectroscopia (pron .: / s p ɛ k t r ɒ s k ə p yo /) Es el estudio de la interacción entre la materia y energía radiada. Históricamente, la espectroscopia se originó a través del estudio de luz visible dispersa en función de su longitud de onda, por ejemplo, por una prisma. Más tarde, el concepto se amplió en gran medida a comprender cualquier interacción con energía radiante como una función de su longitud de onda o frecuencia. Los datos espectroscópicos es a menudo representado por un espectro, un gráfico de la respuesta de interés como una función de la longitud de onda o frecuencia.

Introducción

Espectroscopía y espectrografía son términos utilizados para referirse a la medición de la intensidad de la radiación como una función de longitud de onda y se utilizan a menudo para describir métodos espectroscópicos experimentales. Dispositivos de medición espectrales se denominan espectrómetros, espectrofotómetros, espectrógrafos o analizadores espectrales.

Las observaciones diarias de colores pueden estar relacionados a la espectroscopia. Iluminación de neón es una aplicación directa de espectroscopia atómica. Neon y otros gases nobles tienen colores característicos de emisión, y las lámparas de neón utilizan electricidad para excitar estas emisiones. Tintas, colorantes y pinturas incluyen compuestos químicos seleccionados por sus características espectrales con el fin de generar colores y matices específicos. Un uso habitual espectro molecular es el de dioxido de nitrogeno. Dióxido de nitrógeno gaseoso tiene una función de absorción rojo característico, y esto le da el aire contaminado con dióxido de nitrógeno de un color marrón rojizo. La dispersión de Rayleigh es un fenómeno espectroscópico de dispersión que representa el color del cielo.

Los estudios espectroscópicos fueron fundamentales para el desarrollo de la mecánica cuántica y la incluyeron de Max Planck explicación de radiación del cuerpo negro, de Albert Einstein explicación de la efecto fotoeléctrico y de Niels Bohr explicación de la estructura atómica y espectros. Espectroscopía se utiliza en física y química analítica porque átomos y moléculas tienen espectros único. Estos espectros pueden ser interpretadas para obtener información acerca de los átomos y moléculas, y también pueden ser utilizados para detectar, identificar y cuantificar los productos químicos. Espectroscopía también se utiliza en astronomía y teledetección. La mayoría de la investigación telescopios tienen espectrógrafos. Los espectros medidos se utilizan para determinar la composición química y propiedades físicas de objetos astronómicos (tales como su temperatura y velocidad ).

Teoría

Uno de los conceptos centrales en la espectroscopia es una resonancia y su frecuencia de resonancia correspondiente. Resonancias se caracterizaron por primera vez en sistemas mecánicos, tales como péndulos. Los sistemas mecánicos que vibran o oscilan experimentarán grandes oscilaciones de amplitud cuando se dejan llevar por su frecuencia de resonancia. Un gráfico de la amplitud frente a frecuencia de excitación tendrá un pico centrado a la frecuencia de resonancia. Esta parcela es un tipo de espectro, con el pico a menudo referido como un línea espectral, y la mayoría de las líneas espectrales tienen un aspecto similar.

En los sistemas de la mecánica cuántica, la resonancia análoga es un acoplamiento de dos mecánica cuántica estados estacionarios de un sistema, tales como un átomo , a través de una fuente oscilatoria de energía tales como un fotón . El acoplamiento de los dos estados es más fuerte cuando la energía de la fuente coincide con la diferencia de energía entre los dos estados. La energía de un fotón está relacionada con su frecuencia por donde es La constante de Planck, y así un espectro de la respuesta del sistema frente a la frecuencia de fotones llegará a su máximo en la frecuencia resonante o energía. Partículas tales como electrones y neutrones tienen una relación comparable, el las relaciones de Broglie, entre su energía cinética y su longitud de onda y la frecuencia y por lo tanto también pueden excitar interacciones resonantes.

Los espectros de los átomos y moléculas a menudo consisten en una serie de líneas espectrales, cada uno representando una resonancia entre dos estados cuánticos diferentes. La explicación de estas series, y los patrones espectrales asociadas con ellos, eran uno de los enigmas experimentales que impulsaron el desarrollo y la aceptación de la mecánica cuántica. La Espectro del hidrógeno, en particular, se explica en primer lugar por el éxito Modelo cuántico Rutherford-Bohr del átomo de hidrógeno. En algunos casos, las líneas espectrales están bien separados y distinguibles, pero las líneas espectrales también pueden solaparse y parecen ser una sola transición si el densidad de estados de energía es lo suficientemente alta.

Clasificación de los métodos

La espectroscopía es un campo suficientemente amplio que existen muchos sub-disciplinas, cada una con numerosas implementaciones de técnicas espectroscópicas específicos. Las diversas implementaciones y técnicas se pueden clasificar de varias maneras.

Tipo de energía radiante

Tipos de espectroscopía se distinguen por el tipo de energía radiativa involucrados en la interacción. En muchas aplicaciones, el espectro se determina midiendo los cambios en la intensidad o frecuencia de esta energía. Los tipos de energía radiante estudiados incluyen:

• La radiación electromagnética fue la primera fuente de energía utilizada para estudios espectroscópicos. Las técnicas que emplean la radiación electromagnética se clasifican típicamente por la región de longitud de onda del espectro e incluyen microondas, terahercios, infrarrojos, infrarrojo cercano, visible y ultravioleta, de rayos X y espectroscopia gamma.
• Las partículas, debido a su de Broglie longitud de onda, también puede ser una fuente de energía radiante y ambos electrones y neutrones se utilizan comúnmente. Para una partícula, su energía cinética determina su longitud de onda.
• Espectroscopia acústica implica ondas de presión radiada.
• Los métodos mecánicos pueden emplearse para impartir energía radiante, similar a las ondas acústicas, a materiales sólidos.

Naturaleza de la interacción

Tipos de espectroscopía también se pueden distinguir por la naturaleza de la interacción entre la energía y el material. Estas interacciones incluyen:

• La absorción se produce cuando la energía de la fuente de radiación es absorbida por el material. La absorción es a menudo determinado por la medición de la fracción de la energía transmitida a través del material; absorción disminuirá la parte transmitida.
• Emisión indica que la energía de radiación es liberada por el material. Un material de espectro de cuerpo negro es un espectro de emisión espontánea determinada por su temperatura. Emisión también puede ser inducida por otras fuentes de energía como la llamas o chispas o radiación electromagnética en el caso de fluorescencia.
• Dispersión elástica y espectroscopia de reflexión determinan cómo la radiación incidente es reflejada o dispersada por un material. Cristalografía emplea la dispersión de la radiación de alta energía, tal como radiografías y electrones, para examinar la disposición de los átomos en las proteínas y los cristales sólidos.
• Espectroscopia de impedancia estudia la capacidad de un medio para impedir o retardar la transmitancia de la energía. Para aplicaciones ópticas , este se caracteriza por la índice de refracción.
• Fenómenos dispersión inelástica implican un intercambio de energía entre la radiación y la materia que cambia la longitud de onda de la radiación dispersa. Éstos incluyen Raman y Dispersión Compton.
• Espectroscopia coherente o resonancia son técnicas donde las parejas de energía de radiación dos estados cuánticos de la materia en un interacción coherente que se sustenta en el campo de radiación. La coherencia puede ser interrumpido por otras interacciones, tales como colisiones de partículas y la transferencia de energía, y tan a menudo requiere radiación de alta intensidad para ser sostenido. resonancia magnética nuclear (RMN) es un método ampliamente utilizado y de resonancia métodos láser ultrarrápidos son también ahora posible en las regiones espectrales infrarroja y visible.

Tipo de material

Los estudios espectroscópicos están diseñados para que la energía radiante interactúa con tipos específicos de la materia.

Átomos

Espectroscopia atómica fue la primera aplicación de la espectroscopia desarrollado. Espectroscopia de absorción atómica (AAS) y espectroscopia de emisión atómica (AES) se refieren a la luz visible y ultravioleta. Estas absorciones y emisiones, a menudo referido como líneas espectrales atómicas , se deben a transiciones electrónicas de un electrón cáscara externa a un estado excitado. Los átomos también tienen espectros de rayos x distinta que sean atribuibles a la excitación de electrones de la capa interior a estados excitados.

Los átomos de diferentes elementos tienen espectros distintos y, por tanto, la espectroscopia atómica permite la identificación y cuantificación de la composición elemental de una muestra. Robert Bunsen y Gustav Kirchhoff descubierto nuevos elementos mediante la observación de sus espectros de emisión. Líneas de absorción atómica se observan en el espectro solar y se utilizarán para Líneas de Fraunhofer después de su descubridor. Una explicación completa de la espectro del hidrógeno fue un éxito temprano de la mecánica cuántica y explicar la Desplazamiento de Lamb observado en el espectro de hidrógeno dio lugar al desarrollo de electrodinámica cuántica.

Las implementaciones modernas de la espectroscopia atómica para estudiar las transiciones visible y ultravioleta incluyen espectroscopia de emisión de llama, plasma acoplado inductivamente espectrometría de emisión atómica, brillar espectroscopía de descarga, inducida por microondas espectroscopia de plasma, y la chispa o la espectroscopia de emisión arco. Técnicas para el estudio de los espectros de rayos X incluyen Espectroscopia de rayos X y Fluorescencia de rayos X (XRF).

Moléculas

La combinación de átomos en moléculas conduce a la creación de tipos singulares de estados energéticos y espectros, por lo tanto única de las transiciones entre estos estados. Espectros Molecular se puede conseguir debido a estados de espín de electrones ( resonancia paramagnética electrónica), rotaciones moleculares, vibración molecular y estados electrónicos. Las rotaciones son movimientos colectivos de los núcleos atómicos y por lo general conducen a espectros en las regiones espectrales de microondas y ondas milimétricas; espectroscopia de rotación y la espectroscopia de microondas son sinónimos. Las vibraciones son movimientos relativos de los núcleos atómicos y son estudiados por tanto infrarrojos y Espectroscopía de Raman. Excitaciones electrónicas se estudian usando visible y espectroscopia ultravioleta, así como espectroscopia de fluorescencia.

Los estudios en la espectroscopia molecular condujeron al desarrollo de la primera máser y contribuyó al desarrollo posterior del láser .

Cristales y materiales extendidos

La combinación de átomos o moléculas en los cristales u otras formas extendidas conduce a la creación de estados energéticos adicionales. Estos estados son numerosos y por lo tanto tienen una alta densidad de estados. Esta alta densidad a menudo hace que los espectros más débil y menos clara, es decir, más amplio. Por ejemplo, la radiación de cuerpo negro se debe a los movimientos térmicos de los átomos y moléculas dentro de un material. Respuestas acústicas y mecánicas se deben a movimientos colectivos también.

Cristales puros, sin embargo, pueden tener transiciones espectrales distintas y la disposición de cristal también tiene un efecto sobre los espectros molecular observado. La regularidad estructura reticular de los cristales también dispersa los rayos X, electrones o neutrones permiten estudios cristalográficos.

Núcleos

Los núcleos también tienen estados de energía diferentes que están muy separados y conducen a espectros de rayos gamma. Estados de espín nuclear distintos pueden tener su energía separados por un campo magnético, y esto permite la espectroscopía de RMN .

Otros tipos

Otros tipos de espectroscopía se distinguen por aplicaciones o implementaciones específicas:

• Espectroscopía Auger es un método utilizado para estudiar superficies de los materiales en una escala micro. A menudo se utiliza en conexión con microscopía electrónica.
• Espectroscopia de anillo abajo Cavidad
• Espectroscopía de dicroísmo circular
• Coherente espectroscopia Raman anti-Stokes (CARS) es una técnica reciente que tiene una alta sensibilidad y poderosas aplicaciones para espectroscopia in vivo e imágenes.
• El vapor frío espectroscopia de fluorescencia atómica
• Espectroscopia de correlación abarca varios tipos de espectroscopia de RMN bidimensional.
• Transitoria concentración y medidas de espectroscopia de nivel profundo análisis de los parámetros de defectos eléctricamente activas en materiales semiconductores
• Interferometría de polarización dual mide las componentes real e imaginaria de índice de refracción complejo
• Espectroscopia EPR
• Espectroscopia de fuerza
• Espectroscopía de transformada de Fourier es un método eficiente para el procesamiento de datos de los espectros obtenidos utilizando interferómetros. Transformada de Fourier espectroscopia infrarroja (FTIR) es una aplicación común de espectroscopia infrarroja. RMN también emplea Transformadas de Fourier.
• Espectroscopia de Hadrones estudia la energía / espectro de masas de hadrones según giro, paridad, y otras propiedades de las partículas. Espectroscopia Baryon y espectroscopía de mesones son los dos tipos de espectroscopia de hadrones.
• Imágenes hiperespectrales es un método para crear una imagen completa del entorno o varios objetos, cada píxel contiene un completo visible, VNIR, NIR, o espectro infrarrojo.
• Espectroscopía túnel del electrón inelástica (IETS) utiliza los cambios en la corriente debido a la interacción electrón-vibración inelástica a energías específicas que también pueden medir transiciones ópticamente prohibidos.
• De dispersión inelástica de neutrones es similar a la espectroscopia de Raman, pero utiliza neutrones en lugar de fotones .
• Desglose inducida por láser Espectroscopia (LIBS), también llamada espectrometría de plasma inducido por láser (LIPS)
• Usos espectroscopia láser láseres sintonizables y otros tipos de fuentes de emisión coherentes, tales como osciladores paramétricos ópticos, para la excitación selectiva de especies atómicas o moleculares.
• La espectroscopía de masas es un término histórico utilizado para referirse a la espectrometría de masas . Las recomendaciones actuales para utilizar este último término. El uso de la espectroscopia de masas término se originó en el uso de pantallas de fósforo para la detección de iones.
• Espectroscopia Mössbauer investiga las propiedades de determinados isotópicas núcleos en diferentes entornos atómicas mediante el análisis de la absorción de resonancia de Los rayos gamma. Ver también Efecto Mössbauer.
• Espín de Neutrones medidas de espectroscopia de eco dinámicas internas en proteínas y otros sistemas de materia blanda
• Espectroscopia fotoacústica mide las ondas sonoras producidas en la absorción de la radiación.
• Espectroscopía de fotoemisión
• Medidas de espectroscopia fototérmica calor desprendido tras la absorción de la radiación.
• Espectroscopia de bomba-sonda puede usar pulsos láser ultrarrápidos para medir intermedios de reacción en la escala de tiempo de femtosegundos.
• Espectroscopia Raman actividad óptica explota la dispersión Raman y los efectos ópticos de actividad para revelar información detallada sobre los centros quirales en las moléculas.
• Espectroscopia de Raman
• Espectroscopia saturada
• Espectroscopía de efecto túnel
• Espectrofotometría
• Medidas de espectroscopia Tiempo de resolver la tasa de disminución (s) de estados excitados utilizando diversos métodos espectroscópicos.
• Time-Stretch Espectroscopia
• Radiación térmica medidas de espectroscopía infrarroja térmica emitida a partir de materiales y superficies y se utiliza para determinar el tipo de enlaces presentes en una muestra, así como su entorno reticular. Las técnicas son ampliamente utilizados por los químicos orgánicos, mineralogistas, y los científicos planetarios.
• Espectroscopia de fotoelectrones de rayos ultravioletas (UPS)
• Espectroscopía de dicroísmo circular vibracional
• Espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS)

Aplicaciones

• Estimación resistido los tiempos de exposición de madera usando la espectroscopia de infrarrojo cercano.
• Monitoreo Cura de materiales compuestos que utilizan fibras ópticas