Den spektroskopi eller spektrometri , er den eksperimentelle undersøgelse af spektret af et fysisk fænomen, det vil sige dens nedbrydning på en energi skala, eller enhver anden størrelse bringer til energi ( frekvens , længde bølge , etc. ).
Historisk anvendtes dette udtryk for nedbrydning, for eksempel af et prisme , af udsendt synligt lys ( emissionsspektrometri ) eller absorberet ( absorptionsspektrometri ) af det objekt, der skal undersøges. I dag er dette princip opdelt i et væld af specialiserede eksperimentelle teknikker, der har anvendelser i næsten alle fysiske områder: astronomi , biofysik , kemi , atomfysik , plasmafysik , kernefysik , fast tilstandsfysik , mekanik , akustik osv. . Vi analyserer ikke kun synligt lys med spektroskopi, men også elektromagnetisk stråling i alle frekvensområder, elastiske bølger såsom lyd eller seismiske bølger eller partikler (brugen af udtrykket "spektroskopi" er dog upassende, fordi vi ikke måler energi strengt taler, men snarere massen af partiklerne).
Generelt kaldes måleinstrumentet, der gør det muligt at opnå et spektrum, et spektrometer eller spektroskop . Suffikset "-scopie" henviser til visuel observation, for eksempel udskrivning på fotografisk film , projektion på en skærm eller brugen af et observationsteleskop. Suffikset "-metri" henviser til optagelse af et signal fra en enhed ( plotter , elektronisk optagelse osv. ).
Fra XIV th århundrede , den lærde Theodoric af Freiberg (1311) havde beskrevet spredning af lys ved en dioptri tyk (i dette tilfælde urinaler ) og havde forsøgt at forklare på dette grundlag fænomenet regnbuen . Med succesen med La Magie naturelle (1558) af della Porta blev glasdioptrier kuriositeter, der kunne købes på messer. I 1672 skrev Newton således til en af sine korrespondenter: "For at holde mit seneste løfte vil jeg uden videre fortælle dig, at jeg i begyndelsen af 1666 fik et glasprisme. Trekantet for at opleve berømt fænomen med farver […] Det var behageligt for mig at overveje de lyse og intense farver, der således blev produceret ” . Newton studerede dette fænomen systematisk og offentliggjorde i sin afhandling med titlen Opticks sine resultater om spredning af lys . Han angav først, hvordan hvidt lys kan nedbrydes til monokrome komponenter med et prisme ; så beviste han, at det ikke er prismen, der udsender eller producerer farverne, men at denne diopter kun adskiller bestanddelene af hvidt lys.
Selv om corpuscular teori af lys formuleret af Descartes og Newton efterhånden blev fortrængt af den bølge teori om Huygens og Fresnel, det havde ikke før XIX th århundrede til kvantitativ måling af lysstråler har en universelt anerkendt og vedtaget protokol. Som det vil være tilfældet i lang tid for sine tilhængere, brugte Newton som kilder til hvidt lys, undertiden et stearinlys flamme , undertiden solens eller stjernernes lys . Nye eksperimenter udført med prismer forudsat de første spor, at spektre er karakteristiske for kemiske bestanddele: ved at brænde forskellige salte i opløsning i alkohol, fandt forskere, at flammens lys, en gang nedbrudt i prismen, gav successioner i forskellige farver. Disse observationer var stadig kvalitative, og linjerne blev beskrevet med farvenavne, ikke med tal.
Den bayerske optiker Fraunhofer lavede et spektakulært spring fremad i disciplinen ved at erstatte prisme med en diffraktionsgitter som et instrument til spredning af bølgelængder. Fraunhofer foragtede teorierne om let interferens udført af Thomas Young , François Arago og Augustin Fresnel . Han udførte sine egne eksperimenter for at undersøge effekten af diffraktion med en enkelt rektangulær spalte, derefter med to spalter osv. indtil der udvikles en membran, der er gennemboret med tusinder af lige store, men meget tætte spalter; det dannede således det første diffraktionsgitter . Imidlertid forbedrer ikke kun interferenserne, der frembringes ved en diffraktionsgitter, den spektrale opløsning i sammenligning med prismen, men de gør det muligt at måle de forskellige bølgelængder af det opløste lys. Den absolutte bølgelængdeskala, der således blev etableret af Fraunhofer, åbnede vejen for sammenligningen af spektre opnået af de store laboratorier i Europa, uanset lyskilde (flammer og sol) og instrumenterne. Fraunhofer foretog og offentliggjorde systematiske observationer af solspektret og de mørke linjer, han bemærkede (1814), og hvis bølgelængder han beregnede kaldes i dag Fraunhofer-linjer .
I løbet af 1800'erne forbedrede flere forskere teknikkerne og forståelsen af spektroskopi.
I løbet af 1820'erne foretog astronomerne John Herschel og William HF Talbot systematisk spektroskopisk observation af de forskellige kendte kemiske salte ved at analysere deres flammefarve . I 1835, Charles Wheatstone påpegede, at saltene af forskellige metaller let kunne genkendes af de lyse linjer i emissionsspektret for deres gnister , en alternativ teknik til flammeprøve af kemikere.
I 1849 demonstrerede Léon Foucault eksperimentelt, at absorptions- og emissionslinjer af samme farve (af samme bølgelængde) stammer fra den samme kemiske krop, de andre forskelle kommer fra lyskildens temperaturforskel.
I 1853 offentliggjorde den svenske fysiker Anders Jonas Ångström sine observationer og hans teori om gasspektret i sin afhandling Optiska Undersökningar præsenteret for Det Kongelige Svenske Videnskabsakademi . Ångström postulerede, at gasser bragt til glødelampe udsender lysstråler med samme bølgelængde som dem, de kan absorbere: han var, som vi ser, uvidende om resultaterne af Foucaults tidligere eksperimenter. Omkring samme tid overvejede George Stokes og William Thomson (Lord Kelvin) lignende hypoteser. Ångström målte også det synlige emissionsspektrum af brint , som herefter vil blive kaldt " Balmerlinjer " . I 1854 og 1855 offentliggjorde David Alter sine observationer om spektrene af metaller og gasser indeholdende en personlig beskrivelse af Balmer-brintlinjerne .
Udarbejdelsen af et systematisk katalog over spektrene for forskellige kemiske arter begyndte i 1860'erne med forskning fra den tyske fysiker Gustav Kirchhoff og kemiker Robert Bunsen . Bunsen og Kirchhoff anvendte Fraunhofer's optiske teknikker, Bunsen forbedrede flammekvaliteten og udviklede en streng eksperimentel protokol for at studere spektrene af kemiske forbindelser i detaljer. Disse to forskere bekræftede den unikke forbindelse mellem kemiske grundstoffer og deres karakteristiske spektrum. På samme tid fik de teknikken til spektroskopisk analyse fast. I 1860 offentliggjorde de deres forskning på spektrene af otte grundstoffer og anerkendte tilstedeværelsen af de samme grundstoffer i forskellige kemikalier, hvilket viste, at spektroskopi kunne bruges til at screene for kendte kemiske komponenter og til at genkende endnu ukendte kemiske grundstoffer. Kirchhoff og Bunsen etablerede også forbindelsen mellem absorptions- og emissionslinjer, som tillod dem at tilskrive tilstedeværelsen af visse absorptionslinjer i solspektret til bestemte kemiske elementer. Kirchhoff fortsatte med grundlæggende forskning i arten af absorption og emissionsspektre, som fik ham til at angive det, der i dag kaldes Kirchhoffs lov om stråling . Vi finder den anvendelse, som Kirchhoff gjorde af denne lov i spektroskopi med de tre love i spektroskopi :
Fader Angelo Secchi , direktør for observatoriet for det romerske kollegium , fortsatte ad Kirchhoffs sti ved at angive stjernerne i henhold til deres lysende spektrum . Han var faktisk overbevist om, at stjernerne blev fordelt i en logisk gradering i stor skala. Ved hjælp af et spektrograf klassificerede Secchi således stjerner i fire kategorier: stjerner af type I, II, III og IV ( spektral klasse ). Denne spektrale opdeling fik øget betydning, da det blev indset, at den svarede til stjernernes overfladetemperatur. Takket være spektralanalyse havde Secchi udarbejdet det første spektralkatalog i astronomiens historie: hendes arbejde blev taget op tredive år senere af Williamina Fleming , Antonia Maury og Annie Jump Cannon .
I 1860'erne brugte William Huggins og hans kone Margaret spektroskopi for at bevise, at stjerner er lavet af de samme kemiske grundstoffer som Jorden. De anvendte forholdet mellem den klassiske Doppler-effekt ( Redshift ) og Sirius ' spektrum i 1868 for at bestemme dens iboende rotationshastighed. De var de første til at nedbryde spektret af en planetarisk tåge med Cat's Eye Nebula (NGC 6543). Ved hjælp af spektralteknikker kunne de skelne mellem stjernetåger og galakser .
Johann Balmer opdagede i 1885, at de fire linjer, der var synlige i hydrogenspektret, dannede en progression , som han kaldte spektralserien . Undersøgelsen af de følgende spektrale linjer i ultraviolet førte til Rydbergs formel (November 1888).
De vigtigste anvendte fænomener er:
Disse fænomener kan involvere:
Nedenstående tabel viser en illustration af de forskellige spektroskopiteknikker afhængigt af bølgelængdedomænet.
Bølgelængde domæne | Bølgelængde | Type spektroskopi | Kommentarer |
---|---|---|---|
Radiofrekvens | > 100 um | Kernemagnetisk resonansspektroskopi | kemisk binding, molekylær konformation, interatomiske afstande |
Elektronisk paramagnetisk resonans | paramagnetiske enheder (radikaler, forbigående arter osv.) | ||
Ferromagnetisk resonans | magnetisering ferromagnetiske materialer | ||
Mikrobølgeovn | > 30 um | Rotationsspektroskopi | lille molekylstruktur (vand, ozon, hydrogenchloridgas osv.) med høj præcision |
Infrarød | Fra 1 til ca. 20 µm | Infrarød spektroskopi | funktionelle grupper i et organisk molekyle, kemiske bindinger, molekylets struktur |
Nær infrarød spektroskopi | |||
Vibrationsspektroskopi | |||
Synlig og ultraviolet | 10 2 nm | Ultraviolet-synlig spektroskopi | bestemmelse af konjugerede organiske forbindelser og overgangsmetaller |
Spektrofotometri | |||
Raman spektroskopi | frekvenser af krystal / molekyle vibrationstilstande, spinbølgeenergi | ||
Fluorescensspektroskopi | fluorescerende molekyler, molekylets lokale miljø (konformation og interaktioner) | ||
Fluorescens korrelation spektroskopi | |||
Brillouin spektroskopi | elastiske konstanter og magnetiske egenskaber ved et materiale (magnetisering, udveksling osv.) | ||
Røntgenstråler | <100 nm | Røntgenabsorptionsspektrometri ( EXAFS og XANES ) | EXAFS: lokalt miljø for et atom, afstand fra nærmeste naboer
XANES: oxidationstilstand, koordination XPS: kemisk sammensætning på overfladen af et materiale (oxidationstilstand, kvantificering af grundstoffer osv.) |
Røntgenfotoelektronspektrometri (XPS) | |||
Konventionel og total refleksion røntgenfluorescensspektrometri | kvantificering af kemiske grundstoffer | ||
Castaing mikroprobe | kvantificering af kemiske grundstoffer (lokal analyse i størrelsesordenen 1 µm 3 ) | ||
Gamma-stråler | 0,01 nm | Gammaspektrometri | radioaktive elementer |
Mössbauer spektroskopi | oxidationstilstand, magnetisk rækkefølge |
Spektral billeddannelse danner en gren af spektroskopi baseret på digital fotografering . Den består i at kortlægge et hvilket som helst punkt i et planbillede af det analyserede objekt det fulde spektrum eller enhver anden information af frekvenskarakter (såsom den, der er indsamlet af Doppler- effekt eller Zeeman-effekt på en spektral linje ). De vigtigste anvendelser er i astronomi ( astrofysik og planetologi ), plasma analyse i kernefusion eksperimenter og plads remote sensing .
Spektral billeddannelse er opdelt i et væld af forskellige teknikker, afhængigt af det analyserede spektrale domæne, den spektrale opløsning, antallet, tykkelsen eller sammenhængen mellem spektrale bånd og anvendelsesområdet: vi taler således om multispektral billeddannelse., Superspektral , fuld spektral, spektroskopisk billeddannelse eller kemisk billeddannelse. Disse vilkår henviser dog sjældent til kort med fire eller fem bånd (tetrachromy, pentachromy), som altid fungerer i det synlige lys domæne .
Spektroskopi er en teknik, der er meget udbredt i astronomi , hovedsagelig inden for UV, optik og infrarød. Vi skelner mellem: