Espectroscopia, Teoría, Clasificación de los métodos, Otros tipos, Aplicaciones


Espectroscopia es el estudio de la interacción entre la materia y la energía radiada. Históricamente, la espectroscopia originado a través del estudio de la luz visible dispersa en función de su longitud de onda, por ejemplo, por un prisma. Más tarde, el concepto se amplió en gran medida a comprender cualquier interacción con la energía radiativa como una función de su longitud de onda o frecuencia. Los datos espectroscópicos se representan a menudo por un espectro, un gráfico de la respuesta de interés como una función de longitud de onda o frecuencia.

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, a menudo se utilizan para describir los métodos espectroscópicos experimentales. Dispositivos de medición espectral se conocen como espectrómetros, espectrofotómetros, espectrógrafos o analizadores espectrales.

Las observaciones diarias de color pueden estar relacionados con la espectroscopia. Iluminación de neón es una aplicación directa de la espectroscopia atómica. Gases nobles neón y otras tienen colores característicos de emisiones, y las luces de neón utiliza electricidad para excitar estas emisiones. Tintas, tintes y pinturas incluyen compuestos químicos seleccionados por sus características espectrales con el fin de generar colores y matices específicos. Un espectro molecular comúnmente encontrado es la de dióxido de nitrógeno. Dióxido de nitrógeno gaseoso tiene una función de absorción de 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 de dispersión espectroscópica que representa el color del cielo.

Los estudios espectroscópicos fueron fundamentales para el desarrollo de la mecánica cuántica y se incluyen explicaciones de Max Planck de la radiación del cuerpo negro, la explicación del efecto fotoeléctrico y la explicación de la estructura atómica y espectros de Niels Bohr de Albert Einstein. Espectroscopia se utiliza en la química física y analítica porque los átomos y las moléculas tienen un espectro único. Estos espectros se puede interpretar para derivar información acerca de los átomos y moléculas, y también puede ser utilizado para detectar, identificar y cuantificar los productos químicos. También es utilizada en la astronomía y la teledetección. La mayoría de los telescopios de investigación tienen espectrógrafos. Los espectros medidos se utilizan para determinar la composición química y las propiedades físicas de los objetos astronómicos.

Teoría

Uno de los conceptos centrales en la espectroscopia es una resonancia y su correspondiente frecuencia resonante. Resonancias se caracterizaron por primera vez en los 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 la frecuencia de excitación tendrá un pico centrado a la frecuencia de resonancia. Esta parcela es de un tipo de espectro, con el pico conocido como una línea espectral a menudo, 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 estados estacionarios de mecánica cuántica de un sistema, tal como un átomo, a través de una fuente de energía oscilatoria tal 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 relacionado con su frecuencia por donde es la constante de Planck, y por lo tanto un espectro de la respuesta del sistema frente a la frecuencia de fotones llegará a su máximo en la frecuencia o energía resonante. Partículas como los electrones y neutrones tienen una relación comparable, las relaciones de De Broglie, entre su energía cinética y su longitud de onda y la frecuencia y por lo tanto también puede excitar interacciones resonantes.

Los espectros de átomos y moléculas a menudo consisten en una serie de líneas espectrales, cada una representando una resonancia entre dos estados cuánticos diferentes. La explicación de esta serie, y los patrones espectrales asociados a ellos, fueron uno de los enigmas experimentales que impulsaron el desarrollo y la aceptación de la mecánica cuántica. La serie espectral de hidrógeno, en particular, primero se explicó con éxito por el modelo de Rutherford-Bohr cuántica del átomo de hidrógeno. En algunos casos, las líneas espectrales están bien separados y distinguibles, pero las líneas espectrales también se pueden superponer y parecen ser una sola transición si la densidad de estados de energía es lo suficientemente alta.

Clasificación de los métodos

Espectroscopía es un campo suficientemente amplio que existen muchos sub-disciplinas, cada uno con numerosas implementaciones de técnicas espectroscópicas específicas. Las diversas implementaciones y técnicas se pueden clasificar en varias maneras.

Tipo de energía radiativa

Tipos de espectroscopía se distinguen por el tipo de energía radiativa involucrados en la interacción. En muchas aplicaciones, el espectro se determina mediante la medición de 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, infrarrojo, infrarrojo cercano,, de rayos x visible y ultravioleta y espectroscopía de rayos gamma.
  • Las partículas, debido a su longitud de onda de Broglie, también pueden ser una fuente de energía radiante y las dos electrones y neutrones se utilizan comúnmente. Para una partícula, su energía cinética determina su longitud de onda.
  • Espectroscopia acústica consiste en ondas de presión radiada.
  • Los métodos mecánicos pueden emplearse para impartir energía radiante, similar a las ondas acústicas, a los 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.
  • De emisiones indica que la energía radiante es liberada por el material. Espectro de cuerpo negro de un material es un espectro de emisión espontánea determinada por su temperatura. Emisión también puede ser inducida por otras fuentes de energía, tales como llamas o chispas o radiación electromagnética en el caso de la fluorescencia.
  • Dispersión elástica y la 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, como los rayos X y los 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 el índice de refracción.
  • Fenómenos de dispersión inelástica implican un intercambio de energía entre la radiación y la materia que se desplaza la longitud de onda de la radiación dispersada. Estos incluyen Raman y la dispersión Compton.
  • Espectroscopía coherente o la resonancia son técnicas donde las parejas energía radiante de dos estados cuánticos de la materia en una interacción coherente que se sustenta en el campo de radiación. La coherencia puede ser interrumpido por otras interacciones, tales como colisiones de partículas y de transferencia de energía, y por lo tanto a menudo requieren radiación de alta intensidad para ser sostenida. Espectroscopia de resonancia magnética nuclear es un método de resonancia ampliamente utilizado y los métodos de láser ultrarrápidos son también ahora posible en las regiones espectrales infrarroja y visible.

Tipo de material

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

 Átomos

Espectroscopia atómica fue la primera aplicación de la espectroscopia desarrollado. Espectroscopía de absorción atómica y espectrometría de emisión atómica implican la luz visible y ultravioleta. Estas absorciones y emisiones, conocidas como líneas espectrales atómicas a menudo, se deben a transiciones electrónicas de un electrón cáscara externa de un estado excitado. Los átomos también tienen distintos espectros de rayos X que son atribuibles a la excitación de los electrones de las capas internas de los estados excitados.

Los átomos de diferentes elementos tienen espectros distintos y espectroscopia atómica por lo tanto, permite la identificación y cuantificación de la composición elemental de una muestra. Robert Bunsen y Gustav Kirchhoff descubrieron nuevos elementos mediante la observación de su espectro de emisión. Líneas de absorción atómica se observan en el espectro solar y se denominan líneas de Fraunhofer después de su descubridor. Una explicación completa del espectro de hidrógeno era un éxito temprano de la mecánica cuántica y explicar el desplazamiento de Lamb observado en el espectro del hidrógeno conducido al desarrollo de la electrodinámica cuántica.

Las implementaciones modernas de la espectroscopia atómica para estudiar las transiciones visibles y ultravioleta incluyen llama espectroscopia de emisión, de plasma acoplado inductivamente espectrometría de emisión atómica, la espectroscopia de descarga luminiscente, la espectroscopia de plasma inducido por microondas, y la chispa o la espectroscopia de emisión arco. Las técnicas para el estudio de espectros de rayos X incluyen espectroscopía de rayos X y fluorescencia de rayos X.

 Moléculas

La combinación de átomos en moléculas conduce a la creación de tipos singulares de estados energéticos y por lo tanto espectros única de las transiciones entre estos estados. Espectros moleculares se puede obtener debido a estados de spin electrónico, rotaciones moleculares, vibración molecular y los estados electrónicos. Las rotaciones son movimientos colectivos de los núcleos atómicos y por lo general conducen a espectros en el microondas y regiones espectrales de 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 espectroscopia de infrarrojo y Raman tanto. Excitaciones electrónicas se estudiaron mediante espectroscopia visible y ultravioleta, así como la espectroscopia de fluorescencia.

Estudios de espectroscopia molecular llevaron al desarrollo del primer máser y contribuyeron al desarrollo posterior del láser.

 Cristales y materiales extendidos

La combinación de átomos o moléculas en 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 estructura de la red regular de cristales también dispersa los rayos X, electrones o neutrones que permiten los estudios de cristalografía.

 Núcleos

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

Otros tipos

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

  • Espectroscopia de resonancia acústica se basa en ondas de sonido principalmente en las regiones audibles y ultrasónicos
  • Espectroscopia Auger es un método utilizado para estudiar las superficies de los materiales en una micro-escala. A menudo se utiliza en conexión con microscopía electrónica.
  • Anillo de la cavidad por espectroscopía
  • Espectroscopía de dicroísmo circular
  • Coherente espectroscopía Raman anti-Stokes es una técnica reciente que tiene una alta sensibilidad y poderosas aplicaciones para espectroscopia in vivo e imágenes.
  • Cold vapor atómico espectroscopia de fluorescencia
  • Espectroscopia de correlación abarca varios tipos de espectroscopia de RMN de dos dimensiones.
  • Espectroscopía transitoria profundo nivel de concentración mide y analiza los parámetros de defectos eléctricamente activos en materiales semiconductores
  • Interferometría de doble polarización mide las componentes real e imaginaria del índice de refracción complejo
  • Espectroscopia EPR
  • Fuerza espectroscopía
  • Espectroscopía de transformada de Fourier es un método eficiente para el procesamiento de datos de los espectros obtenidos utilizando interferómetros. Espectroscopia infrarroja con transformada de Fourier es una aplicación común de la espectroscopia de infrarrojos. RMN también emplea transformadas de Fourier.
  • Hadron espectroscopia estudia el espectro de energía/masa de los hadrones acuerdo a girar, la paridad y otras propiedades de las partículas. Baryon espectroscopía y mesones espectroscopia son los dos tipos de hadrones espectroscopia.
  • Imágenes hiperespectrales es un método para crear una imagen completa del entorno o varios objetos, cada píxel contiene una plena y visible, VNIR, NIR, o el espectro infrarrojo.
  • Inelástica de electrones espectroscopía de efecto túnel utiliza los cambios en la corriente debido a la interacción electrón-vibración inelástica a energías específicas que también pueden medir transiciones ópticamente prohibidos.
  • Dispersión inelástica de neutrones es similar a la espectroscopia de Raman, pero utiliza neutrones en lugar de fotones.
  • Inducida por láser Desglose Espectroscopia, también llamada espectrometría de plasma inducido por láser
  • Espectroscopía de láser utiliza láseres sintonizables y otros tipos de fuentes de emisión coherentes, tales como osciladores paramétricos ópticos, para la excitación selectiva de las especies atómicas o moleculares.
  • Espectroscopia de masas es un término histórico para referirse a 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 detectar iones.
  • Mssbauer espectroscopia sondas de las propiedades de los núcleos de isótopos específicos en diferentes ámbitos atómicos mediante el análisis de la absorción resonante de rayos gamma. Vea efecto también Mssbauer.
  • Neutron espín eco espectroscopia mide la dinámica interna de las proteínas y otros sistemas de materia blanda
  • Espectroscopia fotoacústica mide las ondas sonoras producidas en la absorción de la radiación.
  • Espectroscopia de fotoemisión
  • Fototérmica medidas calor espectroscopía evolucionó después de la absorción de la radiación.
  • Espectroscopía Pump-sonda puede usar pulsos láser ultrarrápidos para medir intermedios de reacción en la escala de tiempo de femtosegundos.
  • Espectroscopia de actividad óptica Raman explota dispersión Raman y los efectos ópticos de actividad para revelar información detallada sobre los centros quirales en las moléculas.
  • La espectroscopia Raman
  • Espectroscopía saturada
  • Escaneo espectroscopía túnel
  • Espectrofotometría
  • Tiempo de resolverse la espectroscopia mide la tasa de desintegración de los estados excitados utilizando diversos métodos espectroscópicos.
  • Espectroscopia Time-Stretch
  • Espectroscopia infrarroja térmica mide la radiación 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 ultravioleta
  • Espectroscopía de dicroísmo circular vibracional
  • Espectroscopia de fotoelectrones de rayos X

Aplicaciones