Qual è la spettroscopia ottica?

La spettroscopia ottica è un mezzo per studiare le proprietà degli oggetti fisici basandosi sulla misura di come un oggetto emette e interagisce con la luce. Può essere utilizzato per misurare attributi come la composizione chimica, la temperatura e la velocità di un oggetto. Comprende luce visibile, ultravioletta o infrarossa, da solo o in combinazione, e fa parte di un più ampio gruppo di tecniche spettroscopiche denominate spettroscopia elettromagnetica. La spettroscopia ottica è una tecnica importante nei campi scientifici moderni come la chimica e l’astronomia.

Un oggetto diventa visibile emettendo o riflettendo i fotoni e le lunghezze d’onda di questi fotoni dipendono dalla composizione dell’oggetto, insieme ad altri attributi come la temperatura. L’occhio umano percepisce la presenza e l’assenza di diverse lunghezze d’onda come diversi colori. Ad esempio, i fotoni con una lunghezza d’onda di 620-750 nanometri sono percepiti come rossi, e quindi un oggetto che emette o riflette principalmente fotoni in quell’intervallo sembra rosso. Utilizzando un dispositivo denominato spettrometro, la luce può essere analizzata con maggiore precisione. Questa misura precisa, combinata con una comprensione delle diverse proprietà della luce che diverse sostanze producono, riflettono o assorbono in varie condizioni, costituiscono la base della spettroscopia ottica.

Diversi elementi chimici e composti variano in quanto emettono o interagiscono con i fotoni a causa di differenze meccaniche quantiche negli atomi e nelle molecole che li compongono. La luce misurata da uno spettrometro dopo che la luce è stata riflessa, passata o emessa dall’oggetto oggetto di studio è quello che si chiama linee spettrali. Queste linee sono discontinuità nitide di luce o oscurità nello spettro che indicano numeri insolitamente elevati o insolitamente bassi di fotoni di lunghezze d’onda particolari. Diverse sostanze producono linee spettrali distintive che possono essere utilizzate per identificarle. Queste linee spettrali sono influenzate anche da fattori quali la temperatura e la velocità dell’oggetto, in modo che la spettroscopia può anche essere usata per misurarne anche queste. Oltre alla lunghezza d’onda, altre caratteristiche della luce, come la sua intensità, possono anche fornire informazioni utili.

La spettroscopia ottica può essere fatta in diversi modi, a seconda di ciò che viene studiato. Gli spettrometri individuali sono dispositivi specializzati che si concentrano su un’analisi precisa di parti specifiche e strette dello spettro elettromagnetico. Quindi esistono in una vasta gamma di tipi per diverse applicazioni.

Uno dei principali tipi di spettroscopia ottica, chiamato spettroscopia di assorbimento, si basa sull’individuazione delle lunghezze d’onda di luce che una sostanza assorbe misurando i fotoni che permette di passare. La luce può essere prodotta specificamente a questo scopo con apparecchiature come lampade o laser o possono provenire da una sorgente naturale, come la luce delle stelle. È più comunemente usato con i gas, che sono abbastanza diffusi per interagire con la luce mentre permettono ancora di passare. La spettroscopia di assorbimento è utile per identificare sostanze chimiche e può essere utilizzata per differenziare elementi o composti in una miscela.

Questo metodo è estremamente importante anche nella moderna astronomia e viene spesso utilizzato per studiare la temperatura e la composizione chimica degli oggetti celesti. La spettroscopia astronomica misura anche la velocità degli oggetti lontani approfittando dell’effetto Doppler. Le onde di luce da un oggetto che si muove verso l’osservatore sembrano avere frequenze più alte e quindi lunghezze d’onda inferiori rispetto alle onde di luce da un oggetto a riposo rispetto all’osservatore, mentre le onde da un oggetto che si allontanano sembrano avere frequenze inferiori. Questi fenomeni sono chiamati rispettivamente blueshift e redshift, poiché aumentare la frequenza di un’onda di luce visibile lo sposta verso l’estremità blu / viola dello spettro, mentre abbassando la frequenza la sposta verso il rosso.

Un’altra importante forma di spettroscopia ottica è chiamata spettroscopia delle emissioni. Quando gli atomi o le molecole vengono eccitati da una fonte di energia esterna come la luce o il calore, aumentano temporaneamente il livello energetico prima di tornare indietro allo stato di base. Quando le particelle eccitate ritornano allo stato di base, rilasciano l’energia in eccesso sotto forma di fotoni. Come nel caso dell’assorbimento, diverse sostanze emettono fotoni di diverse lunghezze d’onda che possono quindi essere misurate e analizzate. In una forma comune di questa tecnica, denominata spettroscopia a fluorescenza, il soggetto in fase di analisi viene energizzato con luce leggera, generalmente ultravioletta. Nella spettroscopia delle emissioni atomiche viene utilizzato il fuoco, l’elettricità o il plasma.

La spettroscopia a fluorescenza viene comunemente utilizzata in biologia e medicina, poiché è meno dannosa per i materiali biologici rispetto ad altri metodi e perché alcune molecole organiche sono naturalmente fluorescenti. La spettroscopia di assorbimento atomico viene utilizzata per l’analisi chimica ed è particolarmente efficace per la rilevazione di metalli. Diversi tipi di spettroscopia di assorbimento atomico vengono utilizzati per scopi quali l’identificazione di minerali preziosi nelle ore minerali, l’analisi di prove provenienti dalle scene del crimine e il mantenimento del controllo di qualità nella metallurgia e nell’industria.