Espectroscòpia

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 ( $E$ ) d'un fotó està relacionada amb la seva freqüència ( $\nu$ ) per $E=h\nu$ on $h$ 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:

Radiació electromagnètica va ser la primera font d'energia usada per als estudis espectroscòpics. Les tècniques que fan servir radiació electromagnètica es classifiquen típicament per la regió de longitud d'ona de l'espectre i inclouen:
microones
terahertz
Espectroscòpia en l'infraroig (IR): S'utilitza radiació amb longitud d'ona entre 780 nm i 1 mm, i dona informació sobre les vibracions en l'estructura de la molècula, així com dels grups funcionals en compostos orgànics.
infraroig proper
Espectroscòpia en el visible (VIS): S'utilitza radiació visible (llum) i serveix per detectar i quantificar espècies acolorides.
Espectroscòpia en l'ultraviolat (UV): S'utilitza radiació entre 100 i 400 nm que correspon a canvis en els nivells electrònics dels electrons de valència. Normalment funciona junt al visible (visible i ultraviolada)
Espectroscòpia de raigs X: S'utilitza raigs X, d'energia superior a l'ultraviolat, que correspon a canvis en els nivells electrònics d'electrons interns.
espectroscòpia gamma
Les partícules per la longitud d'ona de de Broglie, també poden ser una font d'energia radiant i tots dos electrons i neutrons són d'ús general. Per a una partícula, la seva energia cinètica determina la seva longitud d'ona.
L'espectroscòpia acústica implica ones de pressió radiades.
Els mètodes de l'espectroscòpia mecànica dinàmical es poden usar per impartir energia radiant, similar a les ones acústiques, als materials sòlids.