Un espectrómetro óptico ( espectrofotómetro , espectrógrafo o espectroscopio ) es un instrumento que se usa para medir las propiedades de la luz en una porción específica del espectro electromagnético , generalmente usado en análisis espectroscópico para identificar materiales. [1] La variable medida suele ser la intensidad de la luz, pero también podría ser, por ejemplo, el estado de polarización . La variable independiente suele ser la longitud de onda de la luz o una unidad directamente proporcional a la energía del fotón , como centímetros recíprocos.o electronvoltios , que tiene una relación recíproca con la longitud de onda.
Un espectrómetro se utiliza en espectroscopía para producir líneas espectrales y medir sus longitudes de onda e intensidades. Los espectrómetros pueden operar en una amplia gama de longitudes de onda no ópticas, desde rayos gamma y rayos X hasta el infrarrojo lejano . Si el instrumento está diseñado para medir el espectro en una escala absoluta en lugar de relativa, normalmente se le llama espectrofotómetro . La mayoría de los espectrofotómetros se utilizan en regiones espectrales cercanas al espectro visible.
En general, cualquier instrumento en particular funcionará en una pequeña parte de este rango total debido a las diferentes técnicas utilizadas para medir diferentes partes del espectro. Por debajo de las frecuencias ópticas (es decir, en las frecuencias de microondas y radio ), el analizador de espectro es un dispositivo electrónico estrechamente relacionado.
Los espectrómetros se utilizan en muchos campos. Por ejemplo, se utilizan en astronomía para analizar la radiación de objetos astronómicos y deducir la composición química. El espectrómetro usa un prisma o una rejilla para difundir la luz de un objeto distante en un espectro. Esto permite a los astrónomos detectar muchos de los elementos químicos por sus características huellas dactilares espectrales. Si el objeto brilla por sí mismo, mostrará líneas espectrales causadas por el gas incandescente. Estas líneas reciben el nombre de los elementos que las causan, como las líneas alfa, beta y gamma de hidrógeno. Los compuestos químicos también pueden identificarse por absorción. Por lo general, se trata de bandas oscuras en ubicaciones específicas del espectro provocadas por la absorción de energía cuando la luz de otros objetos pasa a través de una nube de gas. Gran parte de nuestro conocimiento de la composición química del universo proviene de los espectros.
Espectroscopios
Otros nombres | Espectrógrafo |
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Artículos relacionados | Espectrógrafo de masas |
Los espectroscopios se utilizan a menudo en astronomía y en algunas ramas de la química . Los primeros espectroscopios eran simplemente prismas con graduaciones que marcaban las longitudes de onda de la luz. Los espectroscopios modernos generalmente usan una rejilla de difracción , una rendija móvil y algún tipo de fotodetector , todo automatizado y controlado por una computadora .
Joseph von Fraunhofer desarrolló el primer espectroscopio moderno combinando un prisma, una rendija de difracción y un telescopio de una manera que aumentaba la resolución espectral y era reproducible en otros laboratorios. Fraunhofer también inventó el primer espectroscopio de difracción. [2] Gustav Robert Kirchhoff y Robert Bunsen descubrieron la aplicación de espectroscopios al análisis químico y utilizaron este enfoque para descubrir el cesio y el rubidio . [3] [4] El análisis de Kirchhoff y Bunsen también permitió una explicación química de los espectros estelares , incluidas las líneas de Fraunhofer . [5]
Cuando un material se calienta hasta la incandescencia , emite luz que es característica de la composición atómica del material. Las frecuencias de luz particulares dan lugar a bandas claramente definidas en la escala que pueden considerarse como huellas dactilares. Por ejemplo, el elemento sodio tiene una doble banda amarilla muy característica conocida como líneas D de sodio en 588.9950 y 589.5924 nanómetros, cuyo color será familiar para cualquiera que haya visto una lámpara de vapor de sodio de baja presión .
En el diseño original del espectroscopio de principios del siglo XIX, la luz entraba por una rendija y una lente colimadora transformaba la luz en un haz delgado de rayos paralelos. Luego, la luz pasó a través de un prisma (en los espectroscopios de mano, generalmente un prisma Amici ) que refractaba el haz en un espectro porque diferentes longitudes de onda se refractaban en diferentes cantidades debido a la dispersión . Luego, esta imagen se visualizó a través de un tubo con una escala que se traspuso a la imagen espectral, lo que permitió su medición directa.
Con el desarrollo de la película fotográfica , se creó el espectrógrafo más preciso . Se basaba en el mismo principio que el espectroscopio, pero tenía una cámara en lugar del tubo de visualización. En los últimos años, los circuitos electrónicos construidos alrededor del tubo fotomultiplicador han reemplazado a la cámara, lo que permite un análisis espectrográfico en tiempo real con mucha mayor precisión. También se utilizan matrices de fotosensores en lugar de películas en sistemas espectrográficos. Dicho análisis espectral, o espectroscopia, se ha convertido en una importante herramienta científica para analizar la composición de material desconocido y para estudiar fenómenos astronómicos y probar teorías astronómicas.
En espectrógrafos modernos en los rangos espectrales UV, visible e IR cercano, el espectro generalmente se da en forma de número de fotones por unidad de longitud de onda (nm o μm), número de onda (μm -1 , cm -1 ), frecuencia (THz ), o energía (eV), con las unidades indicadas por la abscisa . En el IR medio a lejano, los espectros se expresan típicamente en unidades de Watts por unidad de longitud de onda (μm) o número de onda (cm -1 ). En muchos casos, el espectro se muestra con las unidades que quedan implícitas (como "recuentos digitales" por canal espectral).
Espectrógrafos
Un espectrógrafo es un instrumento que separa la luz por sus longitudes de onda y registra estos datos. [7] Un espectrógrafo normalmente tiene un sistema de detección multicanal o una cámara que detecta y registra el espectro de luz. [7] [8]
El término fue utilizado por primera vez en 1876 por el Dr. Henry Draper cuando inventó la primera versión de este dispositivo, y que utilizó para tomar varias fotografías del espectro de Vega . Esta primera versión del espectrógrafo era engorrosa de usar y difícil de manejar. [9]
Hay varios tipos de máquinas denominadas espectrógrafos , según la naturaleza precisa de las ondas. Los primeros espectrógrafos utilizaron papel fotográfico como detector. El fitocromo del pigmento vegetal se descubrió utilizando un espectrógrafo que usaba plantas vivas como detector. Los espectrógrafos más recientes utilizan detectores electrónicos, como los CCD, que pueden utilizarse tanto para luz visible como ultravioleta . La elección exacta del detector depende de las longitudes de onda de la luz que se registrarán.
Un espectrógrafo a veces se llama policromador , como una analogía con el monocromador .
Espectrógrafo solar y estelar
La clasificación espectral de estrellas y el descubrimiento de la secuencia principal , la ley de Hubble y la secuencia de Hubble se realizaron con espectrógrafos que usaban papel fotográfico. El próximo telescopio espacial James Webb contendrá un espectrógrafo de infrarrojo cercano ( NIRSpec ) y un espectrógrafo de infrarrojo medio ( MIRI ).
Espectrógrafo Echelle
Un espectrógrafo Echelle utiliza dos rejillas de difracción , giradas 90 grados una con respecto a la otra y colocadas una cerca de la otra. Por lo tanto, se utiliza un punto de entrada y no una rendija y un chip CCD 2d registra el espectro. Por lo general, uno adivinaría recuperar un espectro en la diagonal, pero cuando ambas rejillas tienen un espaciado amplio y una está encendida de modo que solo el primer orden es visible y la otra está encendida de manera que se ven muchos órdenes superiores, se obtiene una muy espectro fino muy bien plegado en un pequeño chip CCD común. El pequeño chip también significa que la óptica de colimación no necesita optimizarse para coma o astigmatismo, pero la aberración esférica se puede establecer en cero.
Ver también
- Dicroísmo circular
- Espectrógrafo de Orígenes Cósmicos
- Monocromador Czerny-Turner
- Espectrómetro de imágenes
- Lista de instrumentos astronómicos
- Lista de fuentes de luz
- Espectroscopia de rendija larga
- Espectrómetro de prisma
- Medidor de partículas de movilidad de escaneo
- Espectrograma
- Espectrómetro
- Espectrorradiómetro
- Espectroscopia
- Matriz en fase virtualmente imaginada
Referencias
- ^ Mayordomo, LRP; Laqua, K. (1995). "Nomenclatura, símbolos, unidades y su uso en análisis espectroquímico-IX. Instrumentación para la dispersión espectral y aislamiento de radiación óptica (Recomendaciones IUPAC 1995)" . Pure Appl. Chem . 67 (10): 1725-1744. doi : 10.1351 / pac199567101725 . S2CID 94991425 .
Un espectrómetro es el término general para describir una combinación de aparatos espectrales con uno o más detectores para medir la intensidad de una o más bandas espectrales.
- ^ Brand, John CD (1995). Líneas de luz: las fuentes de la espectroscopia dispersiva, 1800–1930 . Editores Gordon y Breach. págs. 37–42. ISBN 978-2884491624.
- ^ Semanas, Mary Elvira (1932). "El descubrimiento de los elementos. XIII. Algunos descubrimientos espectroscópicos". Revista de educación química . 9 (8): 1413–1434. Código bibliográfico : 1932JChEd ... 9.1413W . doi : 10.1021 / ed009p1413 .
- ^ "Robert Bunsen" . infoplease . Educación de Pearson . 2007 . Consultado el 21 de noviembre de 2011 .
- ^ Marca 1995 , p. 63
- ^ "Nuevo y poderoso instrumento VLT llega a Chile" . Anuncio de ESO . Consultado el 11 de octubre de 2012 .
- ^ a b Espectrómetro, espectroscopio y espectrógrafo Extracto de la guía de campo para la espectroscopia
- ^ IUPAC , Compendio de terminología química , 2ª ed. (el "Libro de oro") (1997). Versión corregida en línea: (2006–) " espectrógrafo ". doi : 10.1351 / goldbook.S05836
- ^ George Barker, Memorias de Henry Draper, 1837-1882 (PDF) , pág. 103
Bibliografía
- JF James y RS Sternberg (1969), El diseño de espectrómetros ópticos (Chapman y Hall Ltd)
- James, John (2007), Fundamentos del diseño de espectrógrafos (Cambridge University Press) ISBN 0-521-86463-1
- Browning, John (1882), Cómo trabajar con el espectroscopio: un manual de manipulación práctica con espectroscopios de todo tipo
- Palmer, Christopher (2020). Manual de rejilla de difracción (8ª ed.). MKS Newport.
enlaces externos
Espectrómetro óptico en Curlie
- Espectrógrafo para espectros astronómicos
- Fotografías de espectrógrafos utilizados en el Observatorio Lick del Archivo Digital de Registros del Observatorio Lick, Colecciones Digitales de la Biblioteca UC Santa Cruz