Quang phổ là gì? Phép phân tích quang phổ là gì?

Quang phổ là gì?

– Quang phổ là một dải màu giống như sắc cầu vồng hứng được trên màn ảnh khi có hiện tượng tán sắc ánh sáng. Người ta thường sử dụng thuật ngữ quang phổ để chỉ việc đo cường độ bức xạ như là một hàm của bước sóng và thường dùng để mô tả các phương pháp phổ thực nghiệm.

– Vạch quang phổ là các vạch sáng hoặc tối trong một quang phổ liên tục và đồng dạng, được hình thành do sự phát xạ hoặc hấp thụ ánh sáng trong một dải tần hẹp so với các tần số lân cận. Trong một số trường hợp, các vạch quang phổ được phân tách và phân biệt tốt, nhưng cũng có trường hợp các vạch quang phổ cũng bị trùng nhau và nó là kết quả của sự chuyển tiếp duy nhất nếu mật độ của các trạng thái năng lượng đủ cao.

– Thiết bị đo quang phổ được gọi là máy quang phổ, máy đo quang phổ hoặc máy phân tích quang phổ.

– Quang phổ của các nguyên tử và phân tử thường bao gồm một loạt các vạch quang phổ và mỗi vạch sẽ đại diện cho sự cộng hưởng giữa hai trạng thái lượng tử khác nhau.

Lịch sử về quang phổ ánh sáng

Vào thế kỉ 13, Roger Bacon đã đưa ra giả thuyết rằng cầu vồng được tạo ra bằng một quá trình tương tự khi ánh sáng đi qua thủy tinh.

Vào thế kỉ 17, Isaac Newton đã phát hiện ra rằng các lăng kính có thể tách và gộp ánh sáng trắng, và đã mô tả hiện tượng này trong quyển sách của ông có tên Opticks. Ông đã sử dụng thuật ngữ spectrum (Latin là quang phổ cho sự xuất hiện) trong bối cảnh này, được xuất bản năm 1671 khi mô tả các thí nghiệm quang học. Newton đã quan sát rằng, khi một chùm ánh sáng mặt trời hẹp va chạm vào một bề mặt lăng kính thủy tinh với một góc nhất định, một vài tia phản xạ và một vài tia xuyên vào bên trong và thoát ra khỏi lăng kính tạo thành nhiều kênh màu khác nhau. Newton đã giả thiết rằng ánh sáng được cấu tạo bởi nhiều hạt với nhiều màu sắc khác nhau. Do sự khác biệt về màu sắc ánh sáng di chuyển với tốc độ khác nhau trong vật chất trong suốt, ánh sáng đỏ di chuyển nhanh hơn ánh sáng tím trong thủy tinh. Kết quả là ánh sáng đỏ bị bẻ cong (khúc xạ) ít hơn so với ánh sáng tím khi xuyên qua lăng kính tạo ra quang phổ nhiều màu sắc.

Ban đầu, Newton đã chia quang phổ thành 6 màu có tên là:đỏ, cam , vàng, lục, lam và tím . Sau đó, ông thêm màu chàm là màu thứ 7 vì ông tin rằng số 7 là một số hoàn hảo có nguồn gốc từ các giáo sĩ Hy Lạp cổ đại , thể hiện sự liên hệ giữa màu sắc với 7 nốt nhạc, 7 thiên thể đã được biết đến trong hệ mặt trời lúc đó, và 7 ngày trong tuần.  Mắt người tương đối không nhạy cảm với tần số của màu chàm, và một vài người có tầm nhìn tốt không thể phân biệt được màu chàm với các lam và tím. Vì lý do này, một vài nhà bình luận sau đó, bao gồm cả Isaac Asimov đã đề nghị rằng màu chàm không nên xem là một màu riêng mà là một phần giữa lam hoặc tím. Bằng chứng cho thấy rằng những gì Newton đề cập về “chàm” và “xanh” không khớp với những ý nghĩa hiện đại về màu sắc. Khi so ssa1h quan sát của Newton trên lăng kính màu với hình ảnh màu của quang phổ nhìn thấy cho thấy rằng “màu chàm” tương ứng với màu mà ngày nay gọi là xanh lam, trong khi đó màu “xanh lam” ông mô tả tương ứng với màu xanh lơ.

Đến thế kỉ 18, Johann Wolfgang von Goethe đã viết về phổ quang học trong quyển sách của ông có tên Lý thuyết về màu sắc. Goethe sử dụng từ quang phổ (Spektrum) để ám chỉ dư ảnh quang học ma thuật, như Schopenhauer trong quyển On Vision and Colors. Goethe cho rằng quang phổ liên tục là một hiện tượng tổng hợp. Trong khi đó, Newton đã thu hẹp chùm ánh sáng để cô lập hiện tượng, Goethe đã quan sát rằng khẩu độ rộng hơn không tạo ra một quang phổ 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.

Vào thế kỉ 19, khái niệm về quang phổ nhìn thấy trở nên rõ ràng hơn, khi ánh sáng ở ngoài vùng nhìn thấy được phát hiện và được đặc trưng hóa bởi William Herschel với hồng ngoại và Johann Wilhelm Ritter với cực tím, Thomas Young, Thomas Johann Seebeck, và những người khác. Young đã đo đạc được các bước sóng của những màu khác nhau năm 1802.

Nguyên lý hoạt động của quang phổ

Một quang phổ tách ánh sáng thành các bước sóng thành phần của nó.

Thứ nhất, ánh sáng truyền từ kính thiên văn qua một lỗ nhỏ trong máy quang phổ tới một chiếc gương thu thập đường thẳng lên tất cả các tia sáng song song với nhau. Sau đó chúng được đặt tới một tấm thủy tinh ghi độ mịn được gọi là độ nhiễu xạ.

Khi ánh sáng đi qua hoặc bật ra khỏi lưới thuỷ tinh này, nhiều bước sóng thành phần của nó từng thay đổi tốc độ và hướng theo màu quang phổ của chúng.

Lưới uốn cong ánh sáng đỏ theo một cách khác với ánh sáng màu da cam, ánh sáng vàng…, trải rộng nhiều bước sóng thành phổ cầu vồng. Xoay các điều khiển nhiễu xạ mà các bước sóng ánh sáng chiếu tới một gương khác. Nên nó tập trung các bước sóng này vào một bộ tách sóng quang, chẳng hạn như một thiết bị ghép điện tích.

Trong phòng thí nghiệm hoặc trung tâm nghiên cứu nhỏ các nhà khoa học thường sử dụng máy quang phổ uv-vis để đo chỉ số quang phổ này.

Các loại quang phổ

Các loại quang phổ hiện nay

Quang phổ liên tục

• Định nghĩa

Quang phổ liên tục là một dải sáng có màu thay đổi liên tục từ đỏ đến tím. Theo wikipedia, quang phổ liên tục là một tập hợp các giá trị có thể đạt được đối với một số đại lượng vật lý như năng lượng, bước sóng,… được mô tả tốt nhất là một khoảng các số thực, trái ngược hoàn toàn với quang phổ rời rạc, một tập hợp các giá trị có thể đạt được rời rạc theo nghĩa của toán học, nơi có một khoảng cách rõ ràng giữa mỗi giá trị và giá trị tiếp theo.

Thông thường, quang phổ liên tục có thể chỉ là một mô hình thuận tiện cho một quang phổ rời rạc mà các giá trị của nó quá gần để có thể phân biệt, ví dụ như trong các phonon của một tinh thể.

Trong hệ lượng tử, quang phổ liên tục thường có liên quan đến các hạt tự do như các nguyên tử trong khí, electron trong chùm electron, hoặc cũng có thể là electron dải dẫn điện trong kim loại. Nói cách khác, vị trí và động lượng của hạt tự do có quang phổ liên tục nhưng nếu các hạt này bị giới hạn trong một không gian bị hạn chế, quang phổ của nó sẽ bị rời rạc.

• Nguồn phát

Các vật phát ra ánh sáng trắng hoặc các vật rắn, lỏng, khí có  tỷ khối lớn bị nung nóng ở nhiệt độ cao.

• Đặc điểm

– Không chịu tác động của thành phần cấu tạo nên nguồn sáng.

– Phụ thuộc vào nhiệt độ của nguồn sáng. Nguồn sáng có nhiệt càng cao thù quang phổ càng mở rộng về miền sáng có bước sống ngắn và ngượ lại.

– Các chất khác nhau khi ở cùng một nhiệt độ thì sẽ có quang phổ liên tục hoàn toàn giống nhau.

• Ứng dụng

Dùng xác định nhiệt độ, áp suất của nguồn sáng, nhất là những nguồn sáng ở xa như mặt trời, các vì sao,…

Quang phổ vạch phát xạ

• Định nghĩa

Quang phổ vạch phát xạ là hệ thống các vạch màu riêng rẽ nằm trên một nền tối.

• Nguồn phát

Các khối khí, hơi ở áp suất thấp bị kích thích phát sáng bằng cách đốt nóng hoặc phóng tia lửa điện.

• Đặc điểm

Mỗi nguyên tố hóa học đều có quang phổ vạch đặc trưng về số lượng, vị trí, màu sắc và độ sáng tỷ đối của các vạch. Quang phổ vạch phát xạ của các nguyên tố khác nhau thì số lượng các vạch, vị trí các vạch, độ sáng tỉ đối của các vạch cũng rất khác nhau, hay nói cách khác chính là màu sắc các vạch cũng khác nhau.

• Ứng dụng

Thông qua vạch quang phổ đặc trưng của nguyên tố để nhận biết sự có mặt của các nguyên tố hóa học trong hỗn hợp chất khí.

Quang phổ vạch hấp thụ

• Định nghĩa

Quang phổ vạch hấp thụ là quang phổ liên tục bị thiếu các vạch màu do bị chất khí hoặc hơi kim loại hấp thụ.

• Nguồn phát

Chiếu ánh sáng của đèn dây tóc vào máy quang phổ, ta có thể thu được quang phổ liên tục. Sau đó đặt vào giữa đèn và máy quang phổ một chất khí hoặc hơi kim loại để nó hấp thụ vạch màu tối, ta sẽ thu được quang phổ vạch hấp thụ. Điều kiện để có quang phổ vạch hấp thụ là nhiệt độ của hơi hay khí phải nhỏ hơn nhiệt độ của nguồn phát ra ánh sáng trắng.

• Đặc điểm

Các vạch tối nằm tại đúng vị trí các vạch màu trong quang phổ phát xạ của nguyên tố hóa học đó. Nếu đặt trên đường đi của chùm ánh sáng trắng một chất rắn hoặc lỏng thì trên nền quang phổ liên tục của nguồn sáng trắng, bạn sẽ nhìn thấy sự xuất hiện của những đám vạch tối. Nguyên nhân hiện tượng này là do các nguyên tố của chất rắn và chất lỏng hấp thụ rất nhiều bức xạ đơn sắc kề nhau.

• Ứng dụng

– Xác định thành phần cấu tạo của mặt trời và các vì sao vì quang phổ của mặt trời là quang phổ vạch hấp thụ.

– Xác định sự có mặt của các nguyên tố hóa học có trong một hỗn hợp.

Phép phân tích quang phổ là gì?

Phép phân tích quang phổ là phép phân tích thành phần cấu tạo của các chất dựa trên cơ sở nghiên cứu quang phổ của chất đó.

Các phép phân tích quang phổ được sử dụng hiện nay

Phân tích quang phổ là những phương pháp được sử dụng phổ biến để phân tích các khoáng vật, giúp xác định ra thành phần hóa học của khoáng vật qua việc xem xét màu nào đậm nhất trong vạch quang phổ. Việc phân tích quang phổ giúp tạo điều kiện cho việc tinh chế đơn chấ từ khoáng chất thuận lợi hơn.

Một số phương pháp phân tích quang phổ được sử dụng phổ biến hiện nay:

– Phương pháp phân tích định tính:

Phương pháp phân tích này sẽ sử dụng quang phổ vạch để xác định nhưng nguyên tố cấu tạo nên hợp chất hau mẫu vạch.

– Phương pháp phân tích định lượng:

+ Phương pháp phân tích này xác định nhiệt độ của mẫu nghiên cứu bằng cách sử dụng quang phổ liên tục.

+ Phân tích định lượng giúp xác định nồng độ của từng thành phần cấu tạo nên mẫu nghiên cứu bằng cách sử dụng cường độ ánh sáng của  vạch quang phổ. Người tiến hành thí nghiệm có thể phát hiện được nồng độ rất nhỏ (khoảng 0.002%) của chất có trong vật mẫu.

Một số kỹ thuật phân tích quang phổ phổ biến hiện nay:

+ 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

Lợi ích của các phép phân tích quang phổ

– Cho kết quả phân tích nhanh chóng, chính xác hơn phép phân tích hóa học.

– Có khả năng phân tích từ xa mà vẫn cung cấp được thông tin về các thành phần hóa học, nhiệt độ .

Máy quang phổ

Khái niệm máy đo quang phổ

Một trong những thiết bị dùng để phân tích và thử nghiệm hóa chất được ứng dụng rộng rãi trong giáo dục, phòng thí nghiệm, công nghiệp, môi trường, dược phẩm… Đó là máy đo quang phổ.

Máy quang phổ là dụng cụ dùng để phân tích chùm sáng có nhiều thành phần phức tạp thành những ánh sáng mang tính đơn sắc khác nhau. Với mục đích đó là nhằm thu được các thông tin về thành phần, tính chất hay trạng thái của những khối vật chất liên quan đến chùm ánh sáng đó.

Nguyên lý hoạt động của máy đo quang phổ

Nguyên lý máy đo màu quang phổ là do hiện tượng phản xạ ánh sáng, nguồn sáng tới là ánh sáng trắng bao gồm các tia sáng đơn sắc với những bước sóng khác nhau từ đỏ đến tím chiều vào vật thể cần quan sát. Sau đó tia sáng phản xạ lại mắt người là tia sáng có màu nào thì người quan sát sẽ nhìn ra vậy có màu sắc như thế.

Ứng dụng của máy quang phổ

Máy đo quang phổ có rất nhiều ứng dụng trong cuộc sống. Ta có thể xem một vài ứng dụng của máy phổ quang thông qua những lợi ích mà nó mang lại như sau:

• Tái chế tài nguyên: Để tái chế tài nguyên có hiệu quả, điều quan trọng là phân loại phế thải đã thu gom.
• Phục hồi tác phẩm nghệ thuật : Do là phương pháp phân tích nhanh và không phá hủy nên máy quang phổ huỳnh quang tia X được sử dụng tiến hành hoạt động này.
• Kiểm tra những nguyên tố độc hại: Để đảm bảo vật liệu sử dụng trong các thiết bị điện, điện tử và ôtô hoặc đồ chơi trẻ em không chứa những nguyên tố độc hại với hàm lượng vượt quá tiêu chuẩn cho phép.
• Đồng nhất các chất: Từ sự đồng nhất về phổ quang hồng ngoại của hai mẫu hợp chất có thể kết luận sự đồng nhất về bản chất của hai mẫu hồng ngoại với mức độ chính xác khá cao
• Xác định cấu trúc phân tử: Từ tần số của các vạch phổ hấp thụ ta có thể biết sự có mặt của các nhóm chức trong phân tử.
• Nhận biết các chất: Hiện nay người ta đã công bố một số tuyển tập phổ hồng ngoại của các chất và các tần số nhóm đặc trưng
• Phân tích định lượng: Máy đo quang phổ cho phép sự tăng tỷ lệ tín hiệu/nhiễu làm cho việc phân tích định lượng càng thêm chính xác và do đó mở rộng được phạm vi phân tích định lượng.

********************