Quang phổ là gì? Nguyên lý, phân loại, ứng dụng

Quang phổ là gì? Nó đơn giản là sự phân tách ánh sáng thành các thành phần màu sắc khác nhau, giống như cầu vồng sau cơn mưa. Mỗi màu sắc trong quang phổ mang theo thông tin về bản chất của vật chất phát ra hoặc hấp thụ nó.

Quang phổ là gì? 

Quang phổ là biểu đồ mô tả cường độ của ánh sáng hoặc bức xạ điện từ theo bước sóng hoặc tần số. Trên biểu đồ quang phổ, cường độ ánh sáng hoặc bức xạ được thể hiện trên trục dọc, còn bước sóng hoặc tần số được hiển thị trên trục ngang. Quang phổ có thể được tạo ra từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm ánh sáng mặt trời, đèn phát quang nhân tạo, và bức xạ từ các nguồn như radio, microwave, hoặc tia X.

Lịch sử về phân quang học 

Phân quang học là lĩnh vực nghiên cứu về sự tương tác giữa ánh sáng và chất. Từ thế kỷ 19 đến hiện đại, lịch sử của phân quang học đã chứng kiến sự phát triển đáng kể, từ việc phát triển các lý thuyết mới đến các phương pháp phân tích quang phổ tiên tiến.

Các tiến bộ trong phân quang học không chỉ mở ra những cơ hội mới trong việc nghiên cứu cấu trúc và tính chất của các phân tử, mà còn có ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

Nguyên lý hoạt động 

Nguyên lý hoạt động của quang phổ là dựa trên tương tác giữa ánh sáng và chất. Khi ánh sáng đi qua một mẫu chất, có thể xảy ra các hiện tượng như hấp thụ, phát xạ, hoặc phân tán. Các phân tử trong chất có thể hấp thụ ánh sáng ở những bước sóng cụ thể, tạo ra quang phổ hấp thụ. Khi các phân tử được kích thích bằng ánh sáng, chúng có thể phát xạ ánh sáng, tạo ra quang phổ phát xạ. Ngoài ra, ánh sáng cũng có thể tương tác với các phân tử trong chất và bị phân tán, tạo ra quang phổ phân tán.

Quang phổ mang lại thông tin quan trọng về cấu trúc, tính chất, và tương tác của các phân tử trong mẫu chất. Phân tích quang phổ là cơ sở cho nhiều ứng dụng trong nghiên cứu khoa học, kiểm tra chất lượng, và phát triển công nghệ. Điều này giúp chúng ta hiểu sâu hơn về các vật liệu và quy trình, từ đó cung cấp cơ sở cho việc nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

Cách phân tích quang phổ 

Phân tích quang phổ phát xạ

Kỹ thuật này phân tích ánh sáng do nguyên tử hoặc phân tử phát ra khi bị kích thích bằng năng lượng. Khi các nguyên tử hoặc phân tử hấp thụ năng lượng, chúng sẽ chuyển lên trạng thái năng lượng cao hơn. Khi chúng quay trở lại trạng thái năng lượng thấp hơn, chúng sẽ phát ra ánh sáng ở các bước sóng đặc trưng. Bằng cách đo quang phổ phát xạ, ta có thể xác định được thành phần và cấu trúc của vật liệu.

Phân tích quang phổ hấp thụ

Phân tích lượng ánh sáng bị một vật liệu hấp thụ khi ánh sáng đi qua nó. Mỗi nguyên tử hoặc phân tử có các mức năng lượng riêng biệt và sẽ hấp thụ ánh sáng ở các bước sóng tương ứng với sự chênh lệch giữa các mức năng lượng này. Bằng cách đo lượng ánh sáng bị hấp thụ ở các bước sóng khác nhau, ta có thể xác định được thành phần hóa học và nồng độ của các chất trong mẫu.

Phân tích quang phổ tán xạ

Phân tích cách ánh sáng bị tán xạ bởi một vật liệu. Khi ánh sáng tương tác với các phân tử hoặc hạt trong vật liệu, nó có thể bị tán xạ theo các hướng khác nhau. Quang phổ tán xạ cung cấp thông tin về cấu trúc phân tử và các tính chất vật lý của vật liệu. Một ví dụ điển hình của kỹ thuật này là quang phổ Raman, trong đó ánh sáng bị tán xạ và thay đổi tần số dựa trên các dao động phân tử đặc trưng của mẫu.

Phân loại quang phổ, đặc điểm và ứng dụng 

Quang phổ liên tục

Quang phổ liên tục bao gồm tất cả các bước sóng trong một dải rộng và không có sự gián đoạn. Nó được tạo ra khi các vật thể phát ra bức xạ nhiệt, chẳng hạn như mặt trời, đèn dây tóc nóng, hoặc các vật thể ở nhiệt độ cao.

Quang phổ vạch phát xạ

Quang phổ vạch phát xạ bao gồm một số vạch sáng riêng lẻ trên nền tối, mỗi vạch tương ứng với một bước sóng cụ thể. Nó được tạo ra khi các nguyên tử hoặc phân tử chuyển từ trạng thái năng lượng cao xuống trạng thái năng lượng thấp hơn, phát ra năng lượng dưới dạng ánh sáng.

Quang phổ vạch hấp thụ

Quang phổ vạch hấp thụ bao gồm một số vạch tối riêng lẻ trên nền sáng liên tục, mỗi vạch tương ứng với một bước sóng cụ thể bị hấp thụ bởi các nguyên tử hoặc phân tử trong mẫu vật. Nó xảy ra khi ánh sáng trắng đi qua một chất khí hoặc chất lỏng, và các nguyên tử hoặc phân tử trong chất đó hấp thụ ánh sáng ở các bước sóng cụ thể.

Máy quang phổ là gì? 

Khái niệm

Máy quang phổ là thiết bị dùng để phân tích ánh sáng bằng cách tách nó thành các thành phần bước sóng riêng biệt. Thiết bị này đo cường độ ánh sáng ở các bước sóng khác nhau, giúp xác định thành phần và tính chất của mẫu vật.

Nguyên lý hoạt động 

Máy quang phổ hoạt động theo các bước sau:

• Nguồn sáng: Ánh sáng từ nguồn chiếu vào mẫu vật.

• Mẫu vật: Mẫu vật có thể hấp thụ, phát ra hoặc làm tán xạ ánh sáng.

• Bộ phận tách quang học: Ánh sáng từ mẫu vật được chia ra thành các màu khác nhau (bước sóng) bằng một lăng kính hoặc một cách tử.

• Bộ tách sóng (Detector): Bộ tách sóng nhận ánh sáng này và chuyển thành tín hiệu điện.

• Hệ thống xử lý dữ liệu: Tín hiệu điện được xử lý và hiển thị dưới dạng biểu đồ quang phổ, cho biết cường độ ánh sáng ở từng màu.

Ứng dụng

• Hóa học: Sử dụng để phân tích thành phần và nồng độ của các chất hóa học trong mẫu, ví dụ như phân tích mẫu nước, mẫu đất và các hợp chất hóa học phức tạp.

• Y học: Sử dụng trong phân tích mẫu sinh học, chẳng hạn như máu hoặc nước tiểu, để chẩn đoán bệnh và nghiên cứu sinh học phân tử.

• Thiên văn học: Sử dụng để phân tích ánh sáng từ các ngôi sao và hành tinh, giúp xác định thành phần hóa học và tính chất vật lý của các thiên thể.

• Môi trường: Sử dụng để phát hiện và đo lường các chất ô nhiễm trong không khí, nước và đất.

• Công nghiệp: Sử dụng trong kiểm tra chất lượng và kiểm soát quy trình sản xuất, ví dụ như phân tích kim loại, nhựa và các vật liệu khác.