Un espectrómetro óptico ( espectrofotómetro , espectrógrafo o espectroscopio ) es un instrumento utilizado para medir las propiedades de la luz en una porción específica del espectro electromagnético , típicamente utilizado en análisis espectroscópicos para identificar materiales. [1] La variable medida suele ser la irradiancia de la luz, pero también podría ser, por ejemplo, el estado de polarización . La variable independiente suele ser la longitud de onda de la luz o una cantidad física estrechamente derivada, como el número de onda correspondiente o la energía del fotón , en unidades de medida como centímetros, centímetros recíprocos o electronvoltios , respectivamente.
Un espectrómetro se utiliza en espectroscopia para producir líneas espectrales y medir sus longitudes de onda e intensidades. Los espectrómetros pueden funcionar en una amplia gama de longitudes de onda no ópticas, desde rayos gamma y rayos X hasta el infrarrojo lejano . Si el instrumento está diseñado para medir el espectro en una escala absoluta en lugar de relativa, normalmente se le llama espectrofotómetro . La mayoría de los espectrofotómetros se utilizan en regiones espectrales cercanas al espectro visible.
Un espectrómetro que está calibrado para medir la potencia óptica incidente se llama espectroradiómetro . [2]
En general, cualquier instrumento en particular funcionará en una pequeña porción de este rango total debido a las diferentes técnicas utilizadas para medir diferentes porciones del espectro. Por debajo de las frecuencias ópticas (es decir, en las frecuencias de microondas y radio ), el analizador de espectro es un dispositivo electrónico estrechamente relacionado.
Los espectrómetros se utilizan en muchos campos. Por ejemplo, se utilizan en astronomía para analizar la radiación de los objetos y deducir su composición química. El espectrómetro utiliza un prisma o una rejilla para distribuir la luz en un espectro. Esto permite a los astrónomos detectar muchos de los elementos químicos mediante sus líneas espectrales características. Estas líneas reciben el nombre de los elementos que las causan, como las líneas alfa , beta y gamma de hidrógeno. Un objeto brillante mostrará líneas espectrales brillantes. Las líneas oscuras se forman por absorción, por ejemplo cuando la luz pasa a través de una nube de gas, y estas líneas de absorción también pueden identificar compuestos químicos. Gran parte de nuestro conocimiento sobre la composición química del universo proviene de los espectros.
Los espectroscopios se utilizan a menudo en astronomía y en algunas ramas de la química . Los primeros espectroscopios eran simplemente prismas con graduaciones que marcaban las longitudes de onda de la luz. Los espectroscopios modernos generalmente utilizan una rejilla de difracción , una rendija móvil y algún tipo de fotodetector , todo ello automatizado y controlado por una computadora . Los avances recientes han visto una creciente dependencia de algoritmos computacionales en una gama de espectrómetros miniaturizados sin rejillas de difracción, por ejemplo, mediante el uso de conjuntos de filtros basados en puntos cuánticos en un chip CCD [3] o una serie de fotodetectores realizados en una única nanoestructura. . [4]
Joseph von Fraunhofer desarrolló el primer espectroscopio moderno combinando un prisma, una rendija de difracción y un telescopio de una manera que aumentaba la resolución espectral y era reproducible en otros laboratorios. Fraunhofer también inventó el primer espectroscopio de difracción. [5] Gustav Robert Kirchhoff y Robert Bunsen descubrieron la aplicación de los espectroscopios al análisis químico y utilizaron este enfoque para descubrir el cesio y el rubidio . [6] [7] El análisis de Kirchhoff y Bunsen también permitió una explicación química de los espectros estelares , incluidas las líneas de Fraunhofer . [8]
Cuando un material se calienta hasta la incandescencia , emite luz característica de la composición atómica del material. Frecuencias de luz determinadas dan lugar a bandas claramente definidas en la escala que pueden considerarse huellas dactilares. Por ejemplo, el elemento sodio tiene una doble banda amarilla muy característica conocida como líneas D de sodio en 588,9950 y 589,5924 nanómetros, cuyo color le resultará familiar a cualquiera que haya visto una lámpara de vapor de sodio de baja presión .
En el diseño original del espectroscopio de principios del siglo XIX, la luz entraba por una rendija y una lente colimadora transformaba la luz en un fino haz de rayos paralelos. Luego, la luz pasaba a través de un prisma (en los espectroscopios portátiles, generalmente un prisma de Amici ) que refractaba el haz en un espectro porque diferentes longitudes de onda se refractaban en diferentes cantidades debido a la dispersión . Luego, esta imagen se visualizó a través de un tubo con una escala que se transpuso a la imagen espectral, permitiendo su medición directa.
Con el desarrollo de la película fotográfica se creó el espectrógrafo más preciso. Se basaba en el mismo principio que el espectroscopio, pero tenía una cámara en lugar del tubo de visualización. En los últimos años, los circuitos electrónicos construidos alrededor del tubo fotomultiplicador han reemplazado a la cámara, permitiendo análisis espectrográficos en tiempo real con mucha mayor precisión. También se utilizan conjuntos de fotosensores en lugar de películas en sistemas espectrográficos. Este análisis espectral, o espectroscopia, se ha convertido en una importante herramienta científica para analizar la composición de material desconocido y para estudiar fenómenos astronómicos y probar teorías astronómicas.
En los espectrógrafos modernos en los rangos espectrales UV, visible e IR cercano, el espectro generalmente se da en forma de número de fotones por unidad de longitud de onda (nm o μm), número de onda (μm −1 , cm −1 ), frecuencia (THz). ), o energía (eV), con las unidades indicadas por la abscisa . En el IR medio a lejano, los espectros generalmente se expresan en unidades de vatios por unidad de longitud de onda (μm) o número de onda (cm −1 ). En muchos casos, el espectro se muestra con las unidades implícitas (como "recuentos digitales" por canal espectral).
Los gemólogos suelen utilizar espectroscopios para determinar los espectros de absorción de las piedras preciosas, lo que les permite hacer inferencias sobre qué tipo de gema están examinando. [9] Un gemólogo puede comparar el espectro de absorción que observa con un catálogo de espectros de varias gemas para ayudar a reducir la identidad exacta de la gema.
Un espectrógrafo es un instrumento que separa la luz por sus longitudes de onda y registra estos datos. [11] Un espectrógrafo normalmente tiene un sistema detector multicanal o una cámara que detecta y registra el espectro de luz. [11] [12]
El término fue utilizado por primera vez en 1876 por el Dr. Henry Draper cuando inventó la primera versión de este dispositivo, y con el que tomó varias fotografías del espectro de Vega . Esta primera versión del espectrógrafo era engorrosa de usar y difícil de manejar. [13]
Existen varios tipos de máquinas denominadas espectrógrafos , según la naturaleza precisa de las ondas. Los primeros espectrógrafos utilizaban papel fotográfico como detector. El fitocromo, pigmento vegetal, se descubrió mediante un espectrógrafo que utilizaba plantas vivas como detector. Los espectrógrafos más recientes utilizan detectores electrónicos, como los CCD , que pueden utilizarse tanto para luz visible como ultravioleta . La elección exacta del detector depende de las longitudes de onda de la luz que se van a registrar.
Un espectrógrafo a veces se llama policromador , como analogía con el monocromador .
La clasificación espectral de las estrellas y el descubrimiento de la secuencia principal , la ley de Hubble y la secuencia de Hubble se realizaron con espectrógrafos que utilizaban papel fotográfico. El telescopio espacial James Webb contiene un espectrógrafo de infrarrojo cercano ( NIRSpec ) y un espectrógrafo de infrarrojo medio ( MIRI ).
Un espectrógrafo Echelle utiliza dos rejillas de difracción , giradas 90 grados entre sí y colocadas cerca una de otra. Por lo tanto, se utiliza un punto de entrada y no una rendija y un chip CCD registra el espectro. Ambas rejillas tienen un espaciado amplio, y una está iluminada de modo que sólo el primer orden es visible y la otra está iluminada con muchos órdenes superiores visibles, por lo que se presenta un espectro muy fino al CCD.
En los espectrógrafos convencionales, se inserta una rendija en el haz para limitar la extensión de la imagen en la dirección de dispersión. Un espectrógrafo sin rendija omite la rendija; esto da como resultado imágenes que convolucionan la información de la imagen con información espectral a lo largo de la dirección de dispersión. Si el campo no es lo suficientemente disperso, entonces se superpondrán los espectros de diferentes fuentes en el campo de la imagen. La cuestión es que los espectrógrafos sin rendija pueden producir imágenes espectrales mucho más rápidamente que escanear un espectrógrafo convencional. Esto es útil en aplicaciones como la física solar , donde la evolución del tiempo es importante.
Un espectrómetro es el término general para describir una combinación de aparatos espectrales con uno o más detectores para medir la intensidad de una o más bandas espectrales.
Espectrómetro óptico en Curlie
