Quang phổ là gì? Nguyên lý, các loại | Tìm hiểu từ A đến Z

Quang phổ là gì?

Quang phổ là thuật ngữ được sử dụng trong lĩnh vực vật lý, điện. Để giúp bạn hiểu rõ hơn về khái niệm của nó là gì, nguyên lý hoạt động ra sao, AME Group xin cung cấp ngay trong nội dung này.

Khái niệm quang phổ

Quang phổ hay phân quang học là một dải màu giắc giống như cầu vồng hứng trên màn ảnh khi có hiện tượng tán sắc ánh sáng. Hiện tượng này được các nhà nghiên cứu ứng dụng trong việc chia ánh sáng trắng thông qua lăng kính hoặc nhiễu xạ thành các màu khác nhau của nó hoặc bước sóng.

Lịch sử về phân quang học

Quang phổ có lịch sử từ lâu, trải qua thời gian người ta dần hiểu rõ hơn về nó và ứng dụng trực tiếp trong các lĩnh vực khác nhau của đời sống.

• Bắt đầu thế kỷ 13, Roger Bacon đưa ra giả thuyết cầu vồng được tạo ra từ quá trình tương tự khi ánh sáng đi qua thủy tinh.
• Thế kỷ 17, Isaac Newton phát hiện các lăng kính có thể tách và gộp ánh sáng trắng và sử dụng thuật ngữ spectrum (Tiếng Latin – là quang phổ cho sự xuất hiện. Ông chia nó thành 6 màu là: đỏ, cam, vàng, lục, lam, tím, sau đó thêm 1 màu chàm
• Thế kỷ 18, Johann Wolfgang von Goethe đã sử dụng khái niệm này để ám chỉ dư ảnh học ma thuật, ông cho rằng quang phổ liên tục là hiện tượng tổng hợp. Goethe đã quan sát rằng khẩu độ rộng hơn không tạo ra một phân quang học mà tạo ra rìa của màu vàng-đỏ và xanh lơ-lam có màu trắng ở giữa. Quang phổ chỉ hiển thị khi rìa của các màu này đủ gần để chồng lên nhau.
• Thế kỷ 19, khái niệm này trở nên rõ ràng hơn khi ánh sáng ở ngoài vùng nhìn thấy được phát hiện như hồng ngoại, tia cực tím. Năm 1802, người ta đo được các bước sóng của những màu khác nhau.

Nguyên lý hoạt động

Quang phổ tách ánh sáng thành những thành các bước sóng thành phần của nó. Cụ thể về nguyên lý hoạt động của nó như sau:

• Ánh sáng được truyền từ kính thiên văn qua 1 lỗ nhỏ khác trong máy phân quang học tới 1 chiếc gương thu thập đường thẳng lên tất cả các tia sáng song song với nhau. Chúng được đặt tới 1 tấm thủy tinh ghi độ mịn – độ nhiễu xạ.
• Ánh sáng đi xuống gương và bật ra, nhiều bước sóng thành phần của nó từng thay đổi tốc độ và hướng theo màu của chúng
• Phần lưỡi uốn cong ánh sáng đỏ theo cách khác với ánh sáng cam, vàng,…trải rộng nhiều bước sóng của phân quang học.
• Tiến hành xoay điều khiển nhiễu xạ các bước sóng ánh sáng chiếu tới 1 gương khác – tại đây các bước sóng được tập trung vào 1 bộ tách sóng phản quang
• Sử dụng máy quang phổ UV-VIS để đo chỉ số này.

Nguyên lý hoạt động

Phương pháp phân tích quang phổ

Theo Wikipedia, Phương pháp phân tích quang phổ là phương pháp được sử dụng rất phổ biến trong việc phân tích các khoáng vật, nó xem xét màu nào đậm nhất trong vạch để xác định ra thành phần hóa học của khoáng vật đó tạo điều kiện thuận lợi cho việc tinh chế đơn chất từ khoáng vật.

Mỗi nguyên tố sẽ có phân quang học với độ dài bước sóng đặc trưng và riêng biệt – dựa vào đó người ta có thể phân tích được nguyên tố xác định trong hợp chất đây được coi là phương pháp phân tích định tính. Hiện nay có nhiều phương pháp phân tích có thể kế đến như sau:

• Quang phổ huỳnh quang XRF.
• Quang phổ tử ngoại – khả kiến UV-VIS.
• Quang phổ phát xạ hồ quang OES
• Quang phổ phát xạ nguyên tử ICP-OES
• Quang phổ hồng ngoại
• Quang phổ RAMAN

Các loại quang phổ và đặc điểm của nó

Trong thực tế có nhiều loại phân quang học khác nhau, mỗi loại sẽ có những đặc điểm, tính chất riêng. Hiện nay có 3 loại phổ biến nhất bao gồm: quang phổ liên tục, quang phổ hấp thụ và quang phổ phát xạ.

Các loại quang phổ

Quang phổ liên tục

Đây là loại được gắp phổ biến, được phát ra  từ nhiều nguồn khác nhau rắn -lỏng – khí.

Định nghĩa

Quang phổ liên tục là dải màu không có vạch phân quang học biến thiên liên tục, không bị đứt đoạn với đầy đủ 7 màu sắc, bắt đầu từ đỏ và kết thúc là màu tím. Người ta thu được phân quang học liên tục bằng cách chiếu ánh sáng trắng (ánh sáng mặt trời, ánh sáng bóng đèn dây tóc) qua lăng kính

Quang phổ liên tục

Nguồn phát ra

Có nhiều nguồn phát ra loại phân quang học liên tục đảm bảo vật liệu phải được nung nóng, đốt nóng. Hay có thể dùng tia lửa điện kích thích gây phát sáng như là:

• Vật rắn: dây tóc bóng đèn
• Chất lỏng: kim loại nóng chảy
• Chất khí áp suất thấp: mặt trời

Nguyên lý hoạt động

Loại phân quang học này được tạo ra bằng cách đo nhiệt độ các vật được thông qua sự phân bố cường độ ánh sáng theo bước sóng.

Đặc điểm

• Ở cùng nhiệt độ, các phân quang học liên tục của các chất khác nhau sẽ giống nhau
• Chúng không phụ thuộc vào cấu tạo vật chất mà phụ thuộc chính vào nhiệt độ của vật phát sáng
• Vật có nhiệt độ phát sáng càng cao thì quang phổ càng liên tục, mở rộng ở miền đỏ và mờ phía miền tím

Ứng dụng

• Trong thiên văn học, ứng dụng để đo nhiệt độ các vật thể trong không gian vũ trụ
• Ứng dụng đo nhiệt độ lò luyện kim ở nhiệt độ cao khi con người không có khả năng tiếp xúc được

Quang phổ hấp thụ

Loại này có các đặc điểm, nguyên lý và ứng dụng cụ thể như sau:

Định nghĩa

Đây là loại phân quang học trên nền của quang phổ liên tục có các vạch phổ màu tối. Hay hiểu đơn giản nó có dạng vạch tối trên nền của phân quang học liên tục.

Quang phổ hấp thụ

Nguồn phát ra

• Ánh sáng trắng chiếu vào chất khí hoặc hơi nung nóng
• Nhiệt độ khí/hơi < nhiệt độ nguồn sáng

Nguyên lý hoạt động

Sử dụng ánh sáng từ nguồn nóng để tạo thành một phổ liên tục, thêm 1 chất khí lạnh đi qua. Qua đó, ta có được 1 dải màu biến thiên với các bạch tối chen vào. Dựa vào việc phân tích chính xác vị trí các vạch tối mà người ta có thể phát hiện được nguyên tố hóa học phát ra nguồn sáng là gì.

Đặc điểm

• Là loại chứa các vạch
• Ở điều kiện nhất định, chất khí/ hơi có khả năng phát ánh sáng đơn sáng thì cũng có thể hấp thụ chúng
• Vật chất khác nhau sẽ có bước sóng, số vạch tối khác nhau. Nên có thể dựa vào phân quang học để phát hiện nguyên tố chính xác.
• Nó thể hiện phần bức xạ điện từ tới được vật liệu hấp thụ qua 1 dải tần số. Nó hấp thụ có cơ chế ngược lại với loại phát xạ.
• Có thể xảy ra hiện tượng đảo sắc vạch phân quang học khi phân quang học hấp thụ của 1 đám khí/ hơi. Khi tắt nguồn sáng trắng thì nền của quang phổ liên tục biến mất. Và vạch đen của quang phổ vạch hấp thụ trở thành màu của quang phổ vạch phát xạ là đám khí/hơi.
• Nó phụ thuộc vào bản chất hóa học của nguyên tố

Ứng dụng

• Ứng dụng trong xác định thành phần trong chất khí, chất lỏng bằng xác định các vạch hấp thụ
• Xác định các nguyên tố khí trên các ngôi sao mà không thể tiếp xúc trực tiếp
• Dùng để xác định nguyên tố hóa học trong các hợp chất

Quang phổ phát xạ

Có những đặc điểm như sau bạn cần nắm được:

Định nghĩa

Quang phổ phát xạ là những màu sáng riêng lẻ, ngắt quãng hứng được trên nền tối. Loại này mô tả nước sóng của phổ điện từ phát ra bởi 1 vật thể chứa nhiều năng lượng.

Quang phổ phát xạ

Nguồn phát ra

• Chất khí/ hơi áp suất thấp bị kích thước phát sáng thông qua nung nóng hoặc phóng tia lửa điện
• Chất kim loại nóng chảy, bay hơi

Nguyên lý hoạt động

Dựa trên việc phân tích vị trí của vạch màu và xác định được nguyên tố hóa học. Và nó cũng được dùng để ứng dụng trong các ngành y học.

Đặc điểm

Thể hiện đặc điểm riêng cho mỗi nguyên tố khác nhau, màu sắc của vạch sáng phân quang học với mỗi nguyên tố là duy nhất. Từ đó giúp nhận biết các nguyên tố hóa học dễ dàng.

Ứng dụng

• Trong thiên văn học, dùng để sử dụng cho các phân quang học của hành tinh, ngôi sao, tinh vân,..
• Xác định nguyên tố hóa học hoặc xác định các nguyên tố hóa học mới
• Ứng dụng trong các lĩnh vực y tế

Máy quang phổ là gì?

Máy quang phổ là thiết bị được sử dụng trong các phòng thí nghiệm để phân tích và thử nghiệm hóa chất. Dựa vào các phân quang học để xác định các chất khác nhau. Sau đây là thông tin chi tiết về thiết bị:

Khái niệm

Đây là thiết bị phân tích chùm sáng có nhiều ánh sáng đơn sắc khác nhau. Nó giúp thu các thông tin về thành phần, tính chất cũng như trạng thái của khối lượng vật chất phát ra chùm sáng đó.

Máy quang phổ

Nguyên lý hoạt động

Loại máy này hoạt động dựa trên nguyên lý phản xạ ánh sáng. Trong đó các nguồn ánh sáng sử dụng là ánh sáng trắng (gồm các ánh sáng tia đơn sắc có các bước sóng khác nhau từ đỏ đến tím). Tia sáng phản xạ lại mắt người là tia sáng có màu tương ứng với màu sắc của nó.

Ứng dụng của máy

Máy quang phổ được ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau của đời sống như:

• Phân loại các phế thải thu gom trong việc tái chế tài nguyên để đạt được hiệu quả cao.
• Phân tích các tác phẩm nghệ thuật lâu đời. Từ đó đưa ra phương án phục hồi phù hợp nhằm lưu giữ và duy trì tuổi thọ
• Ứng dụng trong thiết bị điện, điện tử, ô tô, đồ chơi trẻ em. Để từ đó, kiểm tra hàm lượng các chất độc hại, đảm bảo an toàn cho người dùng
• Bằng sự đồng nhất về phổ quang hồng ngoại của 2 hợp chất. Qua đó,có thể kết luận sự đồng chất có thể kết hợp chúng với độ chính xác cao.
• Tần số vạch phân quang học hấp thụ ta có thể biết được các nhóm chức có trong phân tử. Hay phát hiện các chất khác nhau nhờ phân quang học riêng.
• Hỗ trợ phân tích định lượng, thiết bị cho phép tăng tỷ lệ tín hiệu giúp việc phân tích định lượng được mở rộng

Trên đây là thông tin chi tiết về quang phổ, đặc điểm của từng loại. Hy vọng với nội dung bài viết này sẽ  giúp bạn có được kiến thức hữu ích nhất. Hãy tiếp tục theo dõi AME Group trong các bài viết tiếp theo nhé!