Quang phổ là gì và ứng dụng của quang phổ trong phân tích thí nghiệm khoa học

1. Quang phổ là gì?

Quang phổ ánh sáng được hiểu theo một cách đơn giản là một dải quang phổ có nhiều màu sắc được hứng trên màn hình khi hiện tượng tán sắc ánh sáng xảy ra. Người ta thường sử dụng thuật ngữ quang phổ để biểu thị việc đo cường độ bức xạ như một hàm của bước sóng và thường dùng trong mô tả các phương pháp phổ thực nghiệm.

Trong thiên văn học, nó được dùng để chỉ các thiết bị được sử dụng trong chia ánh sáng thu được bằng kính viễn vọng thành những màu khác nhau hoặc bước sóng.

Vạch quang phổ là những vạch sáng hoặc tối trong một quang phổ liên tục và đồng dạng, được tạo nên bởi sự phát xạ hay sự hấp thụ ánh sáng trong một dải tần hẹp so với những tần số lân cận. Trong một số trường hợp, chúng được phân tách và phân biệt tốt, nhưng cũng có trường hợp các vạch quang phổ bị trùng nhau và đó là kết quả của việc chuyển tiếp duy nhất với mật độ các trạng thái năng lượng đủ cao.

 Quang phổ là gì

Phân tích quang phổ là một quy trình thử nghiệm vật liệu được sử dụng để xác định các thành phần hóa học của kim loại. Phương pháp này còn được gọi là quang phổ phát xạ hồ quang (OES) đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp gia công kim loại. Phân tích quang phổ được áp dụng trong quá trình kiểm soát chất lượng, quy trình thử nghiệm này còn được ứng dụng trong phân tích các hư hỏng đối với các thành phần của kim loại, cũng như trong tài liệu và đồng thời cung cấp các chứng nhận cần thiết nhằm đáp ứng các yêu cầu về chất lượng, quy chuẩn hoặc pháp lý. Quy trình này cũng được áp dụng và hỗ trợ cho việc phân loại kim loại tự động. Để phân tích thành phần vật liệu (PMI), các công ty gia công kim loại cũng được sử dụng và phân tích quang phổ nhằm kiểm tra các thành phần chỉ tiêu kỹ thuật vật liệu.

Phân tích quang phổ tận dụng tác động tới các photon phát ra trong quá trình hóa hơi của vật liệu kim loại. Chuyên gia làm thử nghiệm sẽ đặt một điện cực vào mẫu kim loại để làm nóng nó lên đến một mức nhiệt độ tầm vài nghìn độ. Do chênh lệch điện thế giữa điện cực và mẫu, hồ quang sẽ xuất hiện, dẫn đến sự hóa hơi cục bộ của vật liệu.

Sự kích thích các nguyên tử trong quá trình hóa hơi vật liệu dẫn đến sự hình thành plasma phát sáng và chính sự phát xạ ánh sáng này làm cơ sở cho việc phân tích quang phổ của kim loại: cách tử nhiễu xạ sẽ phân tách ánh sáng phát ra thành từng phổ và các máy dò sẽ đo cường độ của các bước sóng. Những số liệu này sẽ được sử dụng để xác định nồng độ của các nguyên tố kim loại trong mẫu thử nghiệm.

Vào năm 1854 nhà hóa học Robert bunsen người Đức đã phát minh ra ngọn đèn khí đốt bằng khí gas butan C4H10. Người ta thường gọi là đèn Busen, điều đặc biệt là khi đem các loại hóa chất, khoáng vật đốt trên ngọn đèn khí thì điều kì lạ xảy ra, ngọn lửa bị đổi màu, muối nhôm cho màu xanh lá cây, muối manga cho màu tím, muối Natri cho màu vàng,… chính đặc tính này đã làm cho Busen nghĩ rằng có thể phân tích thành phần hóa học của một chất qua màu ngọn lửa nhưng lại có một khó khăn khác nữa là bản thân của ngọn lửa đèn khí có màu nhuộm vàng ở giữa có màu lam nhạt gây cản trở việc phân tích.

Nghe tin Bunsen đã chế tạo được một ngọn đèn khí đặc biệt định ứng dụng vào lĩnh vực phân tích hóa chất, nên nhà vật lý người Đức Gustav Robert Kirchhoff đã hợp tác với ông và thử quan sát ánh sáng mà các hợp chất này phát ra trên ngọn lửa đèn khí qua lăng kính tam giác làm màu sắc của hợp chất hiện rõ hơn nói chính xác hơn là tập hợp vạch có màu nhất định trong dải quang phổ giúp việc xác định thành phần của hợp chất rõ ràng hơn, do hai ông là người đầu tiên phát hiện ra phương pháp này nên Bunsen và Kirchhoff đã nhận được bằng phát minh cho thành công của họ qua phương pháp phân tích quang phổ hấp thụ nhiệt.

2.Các loại quang phổ

Hiện nay, quang phổ chủ yếu được chia thành 3 loại phổ biến với những đặc điểm khác nhau.

Các loại quang phổ phổ biến hiện nay

2.1.Quang phổ liên tục

Định nghĩa: 

• Quang phổ liên tục là một dải sáng chỉ có dải màu biến thiên liên tục từ màu đỏ đến tím mà không có vạch quang phổ, không bị đứt đoạn.

• Có thể thu được từ việc chiếu ánh sáng trắng qua lăng kính, chẳng hạn như ánh sáng của dây đèn, ánh sáng mặt trời.

Quang phổ liên tục với những đặc điểm nổi bật

Nguồn phát:

• Nguồn từ các chất rắn, chất lỏng, hoặc chất khí có áp suất thấp bị nung nóng tạo thành.

• Với điều kiện tất cả phải được đun nóng, nung nóng, dùng tia lửa điện kích thích đến phát sáng.

Đặc điểm: 

• Khi quang phổ liên tục của các chất khác nhau ở cùng một nhiệt độ thì chắc chắn sẽ cho ra kết quả như nhau.

• Loại quang phổ này chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của vật phát sáng mà không bị phụ thuộc vào cấu tạo vật chất.

• Vật phát sáng có nhiệt độ càng cao thì quang phổ càng bị mờ dần về phía màu tím và mở rộng về phía miền sáng màu đỏ

Ứng dụng:

• Sử dụng để xác định nguồn sáng, áp suất nguồn sáng, đặc biệt là những nguồn sáng xa như sao, mặt trời,...

2.2.Quang phổ vạch phát xạ

Định nghĩa: 

• Quang phổ vạch phát xạ là một hệ thống những vạch sáng có tính chất riêng lẻ, ngắt quãng bởi khoảng tối. 

• Loại quang phổ này thường mô tả các bước sóng của phổ điện từ phát ra từ một vật thể chứa nhiều năng lượng.

Nguồn phát: 

• Những chất khí bị kích thích bằng điện hoặc nhiệt ở áp suất thấp phát ra. 

• Kim loại nóng chảy và bay hơi.

Đặc điểm: 

• Mỗi nguyên tố đều sở hữu những đặc điểm quang phổ đặc trưng riêng. Đồng thời, màu sắc của các vạch sáng của quang phổ vạch phát xạ của mỗi nguyên tố đều là duy nhất.

• Các nguyên tố và các chất khác nhau thì số lượng vạch, vị trí và cường độ ánh sáng của vạch sẽ khác nhau.

Ứng dụng: 

• Trong hóa học, quang phổ vạch phát xạ được sử dụng để xác định các nguyên tố hóa học có sẵn hoặc phát hiện nguyên tố hóa học mới.

• Trong thiên văn học, loại quang phổ này thường được đề cập đến quang phổ của tinh vân, ngôi sao hoặc bất kỳ hành tinh nào.