Un fotómetro es un instrumento que mide la intensidad de la radiación electromagnética en el rango que va desde el ultravioleta hasta el infrarrojo, incluyendo el espectro visible. La mayoría de los fotómetros convierten la luz en corriente eléctrica mediante un fotorresistor , un fotodiodo o un fotomultiplicador .
Los fotómetros miden:
Históricamente, la fotometría se realizaba por estimación, comparando el flujo luminoso de una fuente con una fuente estándar. En el siglo XIX, entre los fotómetros más comunes se encontraban el fotómetro de Rumford, que comparaba la profundidad de las sombras proyectadas por distintas fuentes de luz, y el fotómetro de Ritchie, que se basaba en la iluminación uniforme de las superficies. Otro tipo se basaba en la extinción de las sombras.
Los fotómetros modernos utilizan fotorresistencias, fotodiodos o fotomultiplicadores para detectar la luz. Algunos modelos emplean el conteo de fotones, midiendo la luz contando fotones individuales. Son especialmente útiles en áreas donde la irradiancia es baja. Los fotómetros tienen una amplia gama de aplicaciones, que incluyen la fotografía, donde determinan la exposición correcta, y la ciencia, donde se utilizan en espectroscopia de absorción para calcular la concentración de sustancias en una solución, espectroscopia infrarroja para estudiar la estructura de las sustancias y espectroscopia de absorción atómica para determinar la concentración de metales en una solución.
Antes de que se desarrollaran los elementos electrónicos sensibles a la luz, la fotometría se realizaba mediante una estimación a simple vista. El flujo luminoso relativo de una fuente se comparaba con una fuente estándar. El fotómetro se coloca de forma que la iluminancia de la fuente que se está investigando sea igual a la de la fuente estándar, ya que el ojo humano puede juzgar una iluminancia igual. Los flujos luminosos relativos se pueden calcular entonces a medida que la iluminancia disminuye proporcionalmente al cuadrado inverso de la distancia. Un ejemplo estándar de un fotómetro de este tipo consiste en un trozo de papel con una mancha de aceite que hace que el papel sea ligeramente más transparente. Cuando la mancha no es visible desde ninguno de los lados, la iluminancia de los dos lados es igual.
En 1861, ya se utilizaban tres tipos de fotómetros: [1] el fotómetro de Rumford, el fotómetro de Ritchie y los fotómetros que utilizaban la extinción de sombras, que se consideraba la más precisa.
El fotómetro de Rumford (también llamado fotómetro de sombras) se basaba en el principio de que una luz más brillante proyectaría una sombra más profunda. Las dos luces que se iban a comparar se utilizaban para proyectar una sombra sobre el papel. Si las sombras tenían la misma profundidad, la diferencia de distancia entre las luces indicaba la diferencia de intensidad (por ejemplo, una luz que estuviera el doble de lejos tendría una intensidad cuatro veces mayor).
El fotómetro de Ritchie depende de la iluminación uniforme de las superficies. Consiste en una caja (a,b) de quince o veinte centímetros de largo y uno de ancho y otro de profundidad. En el medio, una cuña de madera (f,e,g) estaba inclinada hacia arriba y cubierta con papel blanco. El ojo del usuario miraba a través de un tubo (d) en la parte superior de una caja. La altura del aparato también era ajustable mediante el soporte (c). Las luces para comparar se colocaron a un lado de la caja (m,n)—que iluminaban las superficies de papel de modo que el ojo veía ambas superficies a la vez. Al cambiar la posición de las luces, se hizo que iluminaran ambas superficies por igual, con la diferencia de intensidad correspondiente al cuadrado de la diferencia de distancia.
Este tipo de fotómetro dependía del hecho de que si una luz proyecta la sombra de un objeto opaco sobre una pantalla blanca, hay una cierta distancia que, si se acerca allí una segunda luz, borra todo rastro de la sombra.
La mayoría de los fotómetros detectan la luz mediante fotorresistencias , fotodiodos o fotomultiplicadores . Para analizar la luz, el fotómetro puede medir la luz después de que haya pasado por un filtro o por un monocromador para determinarla en longitudes de onda definidas o para analizar la distribución espectral de la luz.
Algunos fotómetros miden la luz contando fotones individuales en lugar de contar el flujo entrante . Los principios de funcionamiento son los mismos, pero los resultados se expresan en unidades como fotones/cm 2 o fotones·cm −2 ·sr −1 en lugar de W/ cm 2 o W·cm −2 ·sr −1 .
Debido a su naturaleza de conteo de fotones individuales, estos instrumentos están limitados a observaciones en las que la irradiancia es baja. La irradiancia está limitada por la resolución temporal de la electrónica de lectura del detector asociado. Con la tecnología actual, esta se encuentra en el rango de los megahercios. La irradiancia máxima también está limitada por los parámetros de rendimiento y ganancia del propio detector.
El elemento sensor de luz en los dispositivos de conteo de fotones en longitudes de onda NIR, visible y ultravioleta es un fotomultiplicador para lograr una sensibilidad suficiente.
En la teledetección aérea y espacial, estos contadores de fotones se utilizan en los tramos superiores del espectro electromagnético, como los rayos X y el ultravioleta lejano . Esto suele deberse a la menor intensidad radiante de los objetos que se miden, así como a la dificultad de medir la luz a energías más altas utilizando su naturaleza similar a partículas en comparación con la naturaleza similar a ondas de la luz a frecuencias más bajas. Por el contrario, los radiómetros se utilizan normalmente para la teledetección en el rango visible , infrarrojo y de radiofrecuencia .
Los fotómetros se utilizan para determinar la exposición correcta en fotografía . En las cámaras modernas , el fotómetro suele estar integrado. Como la iluminación de las diferentes partes de la imagen varía, los fotómetros avanzados miden la intensidad de la luz en diferentes partes de la imagen potencial y utilizan un algoritmo para determinar la exposición más adecuada para la imagen final, adaptando el algoritmo al tipo de imagen deseada (consulte Modo de medición ). Históricamente, un fotómetro estaba separado de la cámara y se conocía como medidor de exposición . Los fotómetros avanzados se podían utilizar para medir la luz de la imagen potencial en su conjunto, para medir elementos de la imagen para determinar que las partes más importantes de la imagen estén expuestas de forma óptima o para medir la luz incidente en la escena con un adaptador integrador.
Un fotómetro de reflectancia mide la reflectancia de una superficie en función de la longitud de onda. La superficie se ilumina con luz blanca y la luz reflejada se mide después de pasar por un monocromador. Este tipo de medición tiene aplicaciones principalmente prácticas, por ejemplo en la industria de la pintura para caracterizar objetivamente el color de una superficie.
Son instrumentos ópticos para la medida de la absorción de luz de una determinada longitud de onda (o de un determinado rango de longitudes de onda) de sustancias coloreadas en disolución. A partir de la absorción de luz, la ley de Beer permite calcular la concentración de la sustancia coloreada en la disolución. Por su amplio rango de aplicación y su fiabilidad y robustez, el fotómetro se ha convertido en uno de los principales instrumentos en bioquímica y química analítica . Los fotómetros de absorción para trabajo en disolución acuosa trabajan en los rangos ultravioleta y visible, desde longitudes de onda en torno a los 240 nm hasta los 750 nm.
El principio de funcionamiento de los espectrofotómetros y fotómetros de filtro es el siguiente: se deja pasar (en la medida de lo posible) luz monocromática a través de un recipiente (celda) con ventanas ópticamente planas que contienen la solución. A continuación, llega a un detector de luz, que mide la intensidad de la luz en comparación con la intensidad tras pasar por una celda idéntica con el mismo disolvente pero sin la sustancia coloreada. A partir de la relación entre las intensidades de la luz, conociendo la capacidad de la sustancia coloreada para absorber luz (la absorbencia de la sustancia coloreada, o el área de la sección transversal fotónica de las moléculas de la sustancia coloreada a una longitud de onda dada), es posible calcular la concentración de la sustancia utilizando la ley de Beer .
Se utilizan dos tipos de fotómetros: espectrofotómetros y fotómetros de filtro . En los espectrofotómetros se utiliza un monocromador (con prisma o con rejilla ) para obtener luz monocromática de una longitud de onda definida. En los fotómetros de filtro, se utilizan filtros ópticos para proporcionar la luz monocromática. De este modo, los espectrofotómetros se pueden configurar fácilmente para medir la absorbancia en diferentes longitudes de onda y también se pueden utilizar para escanear el espectro de la sustancia absorbente. De este modo, son más flexibles que los fotómetros de filtro, también proporcionan una mayor pureza óptica de la luz de análisis y, por lo tanto, se utilizan preferentemente para fines de investigación. Los fotómetros de filtro son más baratos, más robustos y más fáciles de usar y, por lo tanto, se utilizan para análisis de rutina. Los fotómetros para placas de microtitulación son fotómetros de filtro.
La espectrofotometría en luz infrarroja se utiliza principalmente para estudiar la estructura de las sustancias, ya que determinados grupos dan absorción en longitudes de onda definidas. La medición en solución acuosa generalmente no es posible, ya que el agua absorbe fuertemente la luz infrarroja en algunos rangos de longitud de onda. Por lo tanto, la espectroscopia infrarroja se realiza en fase gaseosa (para sustancias volátiles) o con las sustancias prensadas en tabletas junto con sales que son transparentes en el rango infrarrojo. El bromuro de potasio (KBr) se utiliza comúnmente para este propósito. La sustancia que se está probando se mezcla completamente con KBr especialmente purificado y se prensa en una tableta transparente, que se coloca en el haz de luz. El análisis de la dependencia de la longitud de onda generalmente no se realiza utilizando un monocromador como en UV-Vis, sino con el uso de un interferómetro . El patrón de interferencia se puede analizar utilizando un algoritmo de transformada de Fourier . De esta manera, se puede analizar todo el rango de longitud de onda simultáneamente, ahorrando tiempo, y un interferómetro también es menos costoso que un monocromador. La luz absorbida en la región infrarroja no corresponde a la excitación electrónica de la sustancia estudiada, sino a diferentes tipos de excitación vibracional. Las excitaciones vibracionales son características de diferentes grupos en una molécula, que de esta manera pueden identificarse. El espectro infrarrojo generalmente tiene líneas de absorción muy estrechas, lo que lo hace inadecuado para el análisis cuantitativo, pero proporciona información muy detallada sobre las moléculas. Las frecuencias de los diferentes modos de vibración varían con el isótopo, por lo que diferentes isótopos dan diferentes picos. Esto también hace posible estudiar la composición isotópica de una muestra con espectrofotometría infrarroja.
Los fotómetros de absorción atómica son fotómetros que miden la luz de una llama muy caliente. La solución que se va a analizar se inyecta en la llama a una velocidad constante y conocida. Los metales de la solución están presentes en forma atómica en la llama. La luz monocromática en este tipo de fotómetro se genera mediante una lámpara de descarga donde la descarga tiene lugar en un gas con el metal que se va a determinar. La descarga emite entonces luz con longitudes de onda correspondientes a las líneas espectrales del metal. Se puede utilizar un filtro para aislar una de las líneas espectrales principales del metal que se va a analizar. La luz es absorbida por el metal en la llama y la absorción se utiliza para determinar la concentración del metal en la solución original.
Artículo basado en parte en el artículo correspondiente de Wikipedia en sueco