Quang phổ một thuật ngữ có trong vật lý mà bất kỳ ai trong chúng ta cũng đã từng được nghe khi còn đang ngồi trên ghế nhà trường. Không chỉ đã từng được biết đến nó mà chính chúng ta đã từng ít nhất một lần thấy được hiện tượng này, đó chính là cầu vồng sau cơn mưa. Vậy lý do đâu mà sau mưa lại xuất hiện quang phổ, hiện tượng này có gì thú vị, ứng dụng của nó là gì?
Khái niệm về quang phổ
Theo khoa học quang phổ còn được gọi với cái tên là phân quang học, được hiểu là một giải màu sắc cầu vồng có thể hứng được trên màn ảnh khi có hiện tượng của tán sắc ánh sáng. Phân quang học thì thường được sử dụng như là một hàm của bước sóng để đo cường độ bức xạ của ánh sáng và cũng thường được dùng để mô tả các phương pháp phổ thực nghiệm trong nghiên cứu.
Vạch quang phổ được định nghĩa là các vạch sáng hoặc tối ở trong cùng một quang phổ, nó liên tục và đồng dạng. Vạch này thì sẽ hình thành khi mà có sự phát xạ hoặc hấp thụ ánh sáng ở trong một dải tần hẹp đối với các tần số lân cận quanh nó. Các vạch phân quang học có thể được phân tách biệt tốt, nhưng cũng có trường hợp chúng bị trùng nhau đây chính là kết quả của sự chuyển tiếp duy nhất khi mà mật độ của các trạng thái năng lượng đạt đủ độ cao.
Các nhà nghiên cứu đã phát minh ra được thiết bị để đo quang phổ, máy này có tên là máy đo quang phổ hoặc máy phân tích phân quang học. Đối với các nguyên tử và phân tử thì phân quang học thường bao gồm nhiều vạch phân quang học và mỗi vạch thì là đại diện của sự cộng hưởng giữa hai trạng thái lượng tử khác nhau.
Phân loại quang phổ
Trong quang phổ thì được chia thành 3 loại khác nhau và mỗi loại thì có một tính chất riêng của nó. Cùng đi tìm hiểu xem sự khác nhau giữa những loại phân quang học này.
Đặc điểm quang phổ liên tục
Một giải màu sắc mà có các màu thay đổi liên tục từ màu đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím thì được phân là quang phổ liên tục. Theo các nhà khoa học vật lý thì phân quang học liên tục chính là một tập hợp của các giá trị có thể có được đối với một vài đại lượng vật lý giống như là bước sóng, năng lượng,…
Quang phổ liên tục thông thường có thể chỉ đóng vai trò là một mô hình thuận tiện cho phân quang học rời rạc khi các giá trị của nó thì quá gần để có thể phân biệt. Ví dụ điển hình như là ở trong phonon của một tinh thể nào đó.
Xét trong hệ lượng tử thì quang phổ liên tục sẽ liên quan đến các hạt tự do. Tóm gọn lại nghĩa là động lượng và vị trí của các hạt tự do thì đều sẽ có phân quang học liên tục, nhưng nếu như những hạt này bị giới hạn trong khoảng không gian bị hạn chế thì phân quang học của nó sẽ trở lên rời rạc.
Nguồn phát của phân quang học này là từ ánh sáng trắng hoặc các vật rắn, lỏng, khí,… với tỉ khối lớn nung nóng trong nhiệt độ cao. Đặc điểm gốm: không bị tác động từ thành phần tạo nên nguồn sáng, bị phụ thuộc vào nhiệt độ nguồn sáng, các chất dù khác nhau nhưng ở cùng nhiệt độ sẽ có phân quang học liên tục giống nhau. Quang phổ liên tục thường dùng để đo nhiệt độ, áp suất nguồn sáng ở xa như mặt trời, vì sao,…
Thông tin quang phổ vạch phát xạ
Hệ thống các màu sắc riêng rẽ nằm ở trên một nền tối thì được gọi là quang phổ vạch phát xạ. Quang phổ này xuất hiện khi mà hơi hoặc là khối khí ở trong môi trường áp suất thấp, kích thích phát sáng bằng phương pháp phóng tia lửa điện hoặc đốt nóng.
Theo nghiên cứu thì mỗi nguyên tố hóa học đề mang quang phổ vạch phát xạ đặc trưng như là về vị trí, màu sắc, số lượng, độ sáng tỉ đối ở các vạch. Quang phổ vạch của mỗi nguyên tố khác nhau thì sẽ có các đặc trưng khác nhau hoặc có thể nói theo một cách khác là màu sắc ở các vạch sẽ khác nhau. Nhờ có phân quang học này mà ta có thể xác định được trong một hỗn hợp chất khí thì có mặt của các nguyên tố hóa học nào.
Quang phổ vạch hấp thụ và khái niệm về nó
Khi quang phổ liên tục bị thiếu các vạch màu bởi hơi kim loại hoặc chất khí hấp thụ thì chính là quang phổ vạch hấp thụ. Để thu được quang phổ vạch hấp thụ thì trước tiên cần tạo quang phổ liên tục bằng cách chiếu ánh sáng của đèn dây tóc vào máy phân quang học. Sau đó ở khoảng giữa đèn và máy thì đặt một kim loại hoặc chất khí có khả năng hấp thụ vạch màu tối là có thể có được phân quang học vạch hấp thụ.
Điều kiện cần có để thu về được phân quang học vạch hấp thụ đó là khí hoặc là hơi phải nhỏ hơn so với nhiệt độ phát ra từ nguồn ánh sáng trắng. Các vạch tối thì sẽ nằm đúng tại vị trí của vạch màu trong phân quang học phát xạ của nguyên tố hóa học đó.
Nếu tại đường đi của chùm ánh sáng trắng bị chắn bởi một chất lỏng hoặc rắn thì trên nền phân quang học liên tục của ánh sáng trắng đó mọi người sẽ thấy được sự xuất hiện của những vạch tối. Lý do có hiện tượng này là bởi vì nguyên tố của chất lỏng hay rắn có khả năng hấp thụ nhiều bức xạ đơn sắc kề nhau.
Người ta thường ứng dụng phân quang học này vào việc nghiên cứu xác định thành phần cấu tạo của những vì sao và mặt trời. Trong một hỗn hợp hóa học thì dùng để nhận biết sự có mặt của các nguyên tố.
Quá trình hoạt động của quang phổ như thế nào?
Để hiểu được nguyên lý hoạt động của phân quang học thì hãy cùng đi tìm hiểu qua thí nghiệm sau. Ánh sáng truyền từ kính thiên văn vào một lỗ nhỏ trong máy phân quang học rồi truyền tới một chiếc gương thu thập đường thẳng của tất cả các tia sáng đi song song với nhau.
Sau đó thì chúng được chiếu tới một tấm thủy tinh có ghi độ nhiễu xạ. Khi mà ánh sáng được chiếu vào đi qua lưới thủy tinh này, các bước sóng thành phần của ánh sáng thay đổi tốc độ và hướng theo đúng màu của chúng.
Lưới uốn cong ánh sáng sẽ đưa các màu sắc theo một cách khác, trải rộng chúng thành phổ cầu vồng. Xoay hướng điều khiển nhiễu xạ của các bước sóng ánh sáng đi tới một gương khác. Nó sẽ tập trung các bước sóng này vào một tách sóng quang ví dụ như thiết bị ghép điện tích. Thường các nhà khoa học sẽ sử dụng máy UV-VIS để đo được chỉ số phân quang học.
Phép phân tích và lợi ích của nó
Phép phân tích quang phổ có thể hiểu là phương pháp phân tích thành phần cấu tạo của các chất dựa vào nghiên cứu phân quang học của chính chất đó. Cùng tìm hiểu xem có những phép phân tích nào và lợi ích của phép phân tích phân quang học là gì?
Những phép phân tích phân quang học hiện nay
Phân tích quang phổ thường được sử dụng để phân tích các khoáng chất, giúp nhận định được ở khoáng vật đó gồm có những thành phần hóa học nào bằng cách xem xét màu sắc đậm nhất trong phân quang học của chúng. Điều này giúp ích rất nhiều trong quá trình tinh tế khoáng chất ra các đơn chất. Hiện nay thì có hai loại phân tích phân quang học được sử dụng nhiều nhất là:
- Phân tích định tính phân quang học: người ta sẽ sử dụng phân quang học vạch để xác định từng nguyên tố có trong hợp chất hoặc mẫu vật.
- Phân tích định lượng phân quang học: cách này có thể giúp xác định được nhiệt độ của hợp chất hoặc mẫu vật nghiên cứu nhờ sử dụng phân quang học liên tục. Phương pháp này có thể định lượng được nồng độ của từng nguyên tố tạo nên mẫu vật, hợp chất bằng phương pháp sử dụng cường độ ánh sáng từ vạch phân quang học. Nồng độ nhỏ nhất 0.002% cũng có thể phát hiện ra trong mẫu vật.
Hiện nay đã phát minh ra được nhiều kỹ thuật để phân tích phân quang học. Một vài ví dụ điển hình như phân quang học huỳnh quang XRF, tử ngoại – khả kiến UV-VIS, phát xạ hồ quang OES, phát xạ nguyên tử ICP-OES, hồng ngoại, RAMAN.
Phép phân tích phân quang học có lợi ích gì?
Thay vì phải làm phép phân tích hóa học thì có thể sử dụng phân tích phân quang học để xác định các đơn chất nhanh chóng mà lại vô cùng chuẩn xác. Ngoài ra còn có thể phân tích các mẫu vật từ xa, cho ra được các thông tin thành phần hóa học, nhiệt độ chính xác.
Ứng dụng phân quang học (máy đo) trong cuộc sống
Sau khi con người phát minh được máy phân quang học thì nó đã được áp dụng rất nhiều vào cuộc sống. Một vài ứng dụng tiêu biểu của máy quang phổ đem lại nhiều lợi ích, thông tin cho con người như sau:
- Tài nguyên được tái chế: dùng máy phân quang học để phân loại những phế thải được thu gom, để có thể tái chế được hiệu quả nhất.
- Phục chế những tác phẩm nghệ thuật: bởi máy này có thể phân tích các thành phần nguyên tố mà không cần phải phá hủy mẫu vật.
- Kiểm tra các nguyên tố có tính độc: khi sản xuất một vài thứ như thiết bị điện tử, đồ chơi trẻ em, đồ dùng,… cần máy phân quang học để kiểm tra xem bên trong những thứ này có chứa quá hàm lượng chất độc hại cho phép hay không.
- Xác định sự đồng chất: xét về tính đồng nhất về phân quang học hồng ngoại giữa 2 mẫu vật, để xét tính đồng chất giữa hai loại này, phương pháp xét này đưa ra kết quả khá chính xác.
- Phân tích cấu trúc phân tử: nhìn tần số của các vạch phân quang học hấp thụ là có thể biết sự có mặt của các nhóm chất ở trong phân tử.
- Nhận biết các chất hóa học: các nhà khoa học công bố một vài tuyển tập phổ hồng ngoại đặc trưng và các tần số nhóm của các chất.
- Định lượng đơn chất: sử dụng máy phân quang học để phân tích, tính định lượng của các chất có trong hợp chất, mẫu vật một cách chính xác.
Kết luận
Quang phổ thuật ngữ trong vật lý áp dụng được rất nhiều vào cuộc sống cũng như nghiên cứu khoa học. Từ đó giúp cho con người mở rộng kiến thức, ứng dụng vào nhiều nghề nghiệp.
