Un fotómetro es un instrumento que mide la intensidad de la radiación electromagnética en el rango del ultravioleta al infrarrojo e incluido 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 hacía por estimación, comparando el flujo luminoso de una fuente con una fuente estándar. En el siglo XIX, los fotómetros comunes incluían el fotómetro de Rumford, que comparaba la profundidad de las sombras proyectadas por diferentes fuentes de luz, y el fotómetro de Ritchie, que se basaba en la iluminación igual de las superficies. Otro tipo se basó en la extinción de las sombras.
Los fotómetros modernos utilizan fotorresistores, fotodiodos o fotomultiplicadores para detectar la luz. Algunos modelos emplean el conteo de fotones, midiendo la luz contando fotones individuales. Son especialmente útiles en zonas donde la irradiancia es baja. Los fotómetros tienen una amplia gama de aplicaciones, incluida 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 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 estimación visual. Se comparó el flujo luminoso relativo de una fuente con el de una fuente estándar. El fotómetro se coloca de manera que la iluminancia de la fuente que se investiga sea igual a 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 el punto no es visible desde ningún lado, la iluminancia de ambos lados es igual.
En 1861, eran de uso común tres tipos. [1] Estos fueron el fotómetro de Rumford, el fotómetro de Ritchie y los fotómetros que utilizaban la extinción de sombras, que se consideraba el más preciso.
El fotómetro de Rumford (también llamado fotómetro de sombras) dependía del principio de que una luz más brillante proyectaría una sombra más profunda. Las dos luces a comparar sirvieron para proyectar una sombra sobre el papel. Si las sombras tuvieran la misma profundidad, la diferencia en la distancia de las luces indicaría la diferencia en intensidad (por ejemplo, una luz al doble de distancia sería cuatro veces más intensa).
El fotómetro de Ritchie depende de la iluminación igual de las superficies. Consiste en una caja (a,b) de seis u ocho pulgadas de largo y otra de ancho y 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 se podía ajustar mediante el soporte (c). Las luces para comparar se colocaron al costado de la caja (m, n), que iluminaban las superficies del 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, correspondiendo la diferencia de intensidad 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 una segunda luz allí, borra todo rastro de la sombra.
La mayoría de los fotómetros detectan la luz con fotorresistores , fotodiodos o fotomultiplicadores . Para analizar la luz, el fotómetro puede medir la luz después de haber 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 operativos son los mismos, pero los resultados se dan 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 se limitan a observaciones donde la irradiancia es baja. La irradiancia está limitada por la resolución temporal de su electrónica de lectura del detector asociado. Con la tecnología actual, esto está en el rango de los megahercios. La irradiancia máxima también está limitada por el rendimiento y los parámetros de 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 generalmente se debe 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 una partícula en comparación con la naturaleza ondulatoria de la luz a frecuencias más bajas. Por el contrario, los radiómetros se utilizan normalmente para la detección remota desde 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 varía la iluminación de las diferentes partes de la imagen, 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 (ver Modo de medición ). Históricamente, un fotómetro estaba separado de la cámara y se conocía como exposímetro . Los fotómetros avanzados podrían usarse entonces para medir la luz de la imagen potencial en su conjunto, para medir elementos de la imagen para asegurarse de que las partes más importantes de la imagen estén expuestas de manera 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 principalmente aplicaciones prácticas, por ejemplo en la industria de pinturas para caracterizar objetivamente el color de una superficie.
Se trata de instrumentos ópticos para medir la absorción de luz de una longitud de onda determinada (o de un rango de longitudes de onda determinado) de sustancias coloreadas en solución. A partir de la absorción de luz, la ley de Beer permite calcular la concentración de la sustancia coloreada en la solución. Debido a su amplia gama de aplicaciones y su confiabilidad 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 solución acuosa trabajan en los rangos ultravioleta y visible, desde longitudes de onda alrededor de 240 nm hasta 750 nm.
El principio de los espectrofotómetros y fotómetros de filtro es que (en la medida de lo posible) se permite que la luz monocromática pase a través de un recipiente (celda) con ventanas ópticamente planas que contienen la solución. Luego llega a un detector de luz, que mide la intensidad de la luz en comparación con la intensidad después de 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 de los fotones de las moléculas de la sustancia coloreada a una longitud de onda determinada), es posible calcular la concentración de la sustancia usando la ley de Beer .
Se utilizan dos tipos de fotómetros: espectrofotómetro y fotómetro 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 generar 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, además proporcionan una mayor pureza óptica de la luz de análisis y, por lo tanto, se utilizan preferentemente con fines de investigación. Los fotómetros de filtro son más baratos, más robustos y más fáciles de usar y, por 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 sustancias, ya que determinados grupos producen 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 transparentes en el rango infrarrojo. Para este fin se utiliza habitualmente bromuro de potasio (KBr). La sustancia analizada se mezcla minuciosamente con KBr especialmente purificado y se prensa en una pastilla transparente que se coloca bajo un 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 longitudes 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 una excitación electrónica de la sustancia estudiada, sino a diferentes tipos de excitación vibratoria. Las excitaciones vibratorias son características de diferentes grupos de una molécula, que de esta manera pueden identificarse. El espectro infrarrojo suele tener líneas de absorción muy estrechas, lo que los hace inadecuados para análisis cuantitativos, pero proporciona información muy detallada sobre las moléculas. Las frecuencias de los diferentes modos de vibración varían según el isótopo y, por lo tanto, diferentes isótopos dan picos diferentes. Esto permite también 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 a analizar se inyecta en la llama a una velocidad constante y conocida. Los metales en solución están presentes en forma atómica en la llama. La luz monocromática en este tipo de fotómetros es generada por una lámpara de descarga donde la descarga se produce en un gas con el metal a determinar. Luego, la descarga emite luz con longitudes de onda correspondientes a las líneas espectrales del metal. Se puede utilizar un filtro para aislar una de las principales líneas espectrales del metal 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 parcialmente en el artículo correspondiente en la Wikipedia sueca.