Share to: share facebook share twitter share wa share telegram print page

Espectroscòpia

Animació que mostra la dispersió de la llum en travessar un prisma.

L'espectroscòpia és una tècnica analítica experimental, molt usada en química i en física. Es basa a detectar l'absorció o emissió de radiació electromagnètica de certes energies, i relacionar aquestes energies amb els nivells d'energia implicats en transicions quàntiques de la substància a detectar.[1] D'aquesta manera, es poden fer anàlisis quantitatives o qualitatives d'una enorme varietat de substàncies, aprofitant la capacitat d'emetre o absorbir la radiació d'una determinada longitud d'ona que presenten aquestes, o algun producte format a partir d'elles.

Històricament, l'espectroscòpia es va originar a través de l'estudi de la llum visible dispersada d'acord amb la seva longitud d'ona, per exemple mitjançant un prisma òptic.[2] Més tard el concepte es va engrandir considerablement per abastar qualsevol interacció amb l'energia radiativa com a funció de la seva longitud d'ona o freqüència. Les dades de l'espectroscòpia sovint es representen per un espectre, un diagrama de la resposta d'interès com a funció de la longitud d'ona o la freqüència.

Teoria

Un dels conceptes centrals de l'espectroscòpia és la ressonància i la seva corresponent freqüència ressonant.[3] Les ressonàncies es van caracteritzar primer en sistemes mecànics com els pèndols. Els sistemes mecànics que vibren o oscil·len experimentaran grans oscil·lacions d'amplitud quan són conduïts a la seva freqüència ressonant. Un diagrama d'amplitud versus freqüència d'excitació tindrà un pic centrat en la freqüència de ressonància. Aquest diagrama és un tipus d'espectre, amb el pic sovint anomenat línia espectral i la majoria de línies espectrals tenen una aparença similar.

En els sistemes mecànics quàntics, la ressonància anàloga és un acoblament de dos estats estacionaris de mecànica quàntica d'un sistema, com un àtom, a través d'una font d'energia oscil·latòria com una fotó. L'acoblament dels dos estats és més fort quan l'energia de la font coincideix amb la diferència d'energia entre els dos estats. L'energia () d'un fotó està relacionada amb la seva freqüència () per on és la constant de Planck, de manera que un espectre de la resposta del sistema davant de la freqüència fotó tindrà el pic a la freqüència de ressò o energia. Partícules com els electrons i neutrons tenen una relació comparable, les relacions de De Broglie, entre la seva energia cinètica i la seva longitud d'ona i freqüència i, per tant, també poden excitar les interaccions ressonants.[4][5]

Els espectres dels àtoms i molècules sovint consisteixen en una sèrie de línies espectrals, cadascuna representant una ressonància entre dos estats quàntics diferents. L'explicació d'aquestes sèries, i els patrons espectrals associats amb elles, eren un dels enigmes en experimentació que va impulsar el desenvolupament i l'acceptació de la mecànica quàntica. Les sèries espectrals d'hidrogen, en particular, s'explicaren per primer cop amb èxit pel model quàntic Rutherford-Bohr de l'àtom d'hidrogen. En alguns casos les línies espectrals estan ben separades i són distingibles, però les línies espectrals també poden superposar-se i semblen ser una sola transició, si la densitat d'estats d'energia és prou alta.[6]

Classificació dels mètodes

L'espectroscòpia és un camp molt ampli on hi ha moltes subdisciplines, cadascuna amb les seves pròpies tècniques i es poden classificar de diverses maneres.

Tipus d'energia radiant

Els tipus d'espectroscòpia es diferencien pel tipus d'energia radiant implicada en la interacció. En moltes aplicacions l'espectre es determina mesurant canvis en la intensitat o freqüència d'aquesta energia.

Els tipus d'energia radiativa estudiats inclouen:

Espectroscòpia atòmica

Un tipus d'espectroscòpia especial és l'espectroscòpia atòmica, en la qual no s'analitza la mostra tal qual sinó atomitzada (mitjançant escalfament en flama, forn de grafit o plasma), amb la qual cosa s'aconsegueix una selectivitat molt bona amb nivells de detecció molt baixos.

Segons la relació entre la radiació i la substància detectada

Les tècniques espectroscòpiques es classifiquen segons la relació entre la radiació i la substància detectada en:

Tècniques d'absorció
La radiació excita les partícules de l'espècie de manera que aquesta, per assolir el nou estat energètic absorbeix la radiació d'energia adequada. Es mesura la relació entre la intensitat de radiació en sortir de la mostra i la intensitat que hi arriba.
Tècniques d'emissió
S'excita la mostra, principalment amb calor, i es mesura en una determinada longitud d'ona (característica de l'espècie que emet) la intensitat de radiació que emet aquesta en relaxar-se de nou.
Tècniques de fluorescència
La mostra s'excita mitjançant radiació de l'energia adequada i es mesura la radiació que s'emet en tornar a l'estat fonamental.

Altres tipus d'espectroscòpia

Altres tipus d'espectroscòpia es diferencien per les seves aplicacions específiques o implementacions:

Referències

A Wikimedia Commons hi ha contingut multimèdia relatiu a: Espectroscòpia
  1. ↑ Herrmann, R.; Onkelinx, C. «Quantities and units in clinical chemistry: Nebulizer and flame properties in flame emission and absorption spectrometry (Recommendations 1986)» (en anglès). Pure and Applied Chemistry, 58, 12, 01-01-1986, pàg. 1737–1742. DOI: 10.1351/pac198658121737. ISSN: 1365-3075.
  2. ↑ «Espectrógrafos de prismas. Prisma objetivo.» ( PDF). Técnicas experimentales en astrofísica. Universidad Complutense de Madrid, pàg. 8-10.
  3. ↑ «Definition of RESONANCE» (en anglès). Merriam-Webster. [Consulta: 17 març 2023].
  4. ↑ Eisberg, Robert Martin. Quantum physics of atoms, molecules, solids, nuclei, and particles. 2a edició. Nova York: Wiley, 1985. ISBN 0-471-87373-X. 
  5. ↑ Wang, Zhong-Yue «Generalized momentum equation of quantum mechanics» (en anglès). Optical and Quantum Electronics, 48, 2, 19-01-2016, pàg. 107. DOI: 10.1007/s11082-015-0261-8. ISSN: 1572-817X.
  6. ↑ Tomé, César «El modelo de Bohr explica las regularidades en el espectro del hidrógeno — Cuaderno de Cultura Científica» (en castellà). Cuaderno de Cultura Científica, 05-11-2019.
  7. ↑ Evans, Conor L.; Xie, X. Sunney «Coherent Anti-Stokes Raman Scattering Microscopy: Chemical Imaging for Biology and Medicine» (en anglès). Annual Review of Analytical Chemistry, 1, 1, 01-07-2008, pàg. 883–909. DOI: 10.1146/annurev.anchem.1.031207.112754. ISSN: 1936-1327.
  8. ↑ Laser Spectroscopy (en anglès). Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 2008. DOI 10.1007/978-3-540-73418-5. ISBN 978-3-540-73415-4. 
  9. ↑ Orr, B. J.; He, Yabai; White, R. T.. «Spectroscopic applications of tunable optical parametric oscillators». A: F. J. Duarte (ed.). Tunable laser applications (en anglès). Boca raton, FL: CRC Press, Taylor & Francis Group, 2009, p. 15–95. ISBN 978-1-4200-6009-6. 
  10. ↑ Murray, Kermit K.; Boyd, Robert K.; Eberlin, Marcos N.; Langley, G. John; Li, Liang «Definitions of terms relating to mass spectrometry (IUPAC Recommendations 2013)» (en alemany). Pure and Applied Chemistry, 85, 7, 06-06-2013, pàg. 1515–1609. DOI: 10.1351/PAC-REC-06-04-06. ISSN: 1365-3075.
  11. ↑ Solli, D. R.; Chou, J.; Jalali, B. «Amplified wavelength–time transformation for real-time spectroscopy» (en anglès). Nature Photonics, 2, 1, 1-2008, pàg. 48–51. DOI: 10.1038/nphoton.2007.253. ISSN: 1749-4893.
  12. ↑ Chou, Jason; Solli, Daniel R.; Jalali, Bahram «Real-time spectroscopy with subgigahertz resolution using amplified dispersive Fourier transformation» (en anglès). Applied Physics Letters, 92, 11, 17-03-2008, pàg. 111102. DOI: 10.1063/1.2896652. ISSN: 0003-6951.
Kembali kehalaman sebelumnya