طیف سنج نوری

طیف سنج نوری ( spectrophotometer، spectrograph یا spectroscope ) ابزاری است که برای اندازه گیری خواص نور در یک بخش خاصی از طیف الکترومغناطیسی استفاده می شود، که معمولاً در آنالیز طیف سنجی برای شناسایی مواد استفاده می شود. [۱] متغیر اندازه گیری شده اغلب شدت نور است، اما به عنوان مثال می تواند حالت قطبش باشد. متغیر مستقل معمولاً طول موج نور یا واحدی است که مستقیماً متناسب با انرژی فوتون ، مانند عکس سانتی متر یا ولت الکترون است که با طول موج رابطه متقابل دارد.

شماتیک طیف سنج توری پراش
ساختار داخلی طیف سنج توری پراش: نور از سمت چپ می آید و در قسمت توری بازتابی میانی بالایی پراکنده می شود. سپس طول موج نور توسط شکاف در گوشه فوقانی سمت راست انتخاب می شود.

از طیف سنج برای تولید خطوط طیفی و اندازه گیری طول و شدت آنها در طیف سنجی استفاده می شود. طیف سنجها همچنین ممکن است در طیف وسیعی از طول موجهای غیر نوری از پرتوهای گاما و اشعه X تا مادون قرمز دور عمل کنند . اگر ابزار برای اندازه گیری طیف در واحدهای مطلق به جای واحدهای نسبی طراحی شده باشد ، معمولاً آن را اسپکتروفتومتر می نامند. بیشتر اسپکتروفتومترها در مناطق طیفی نزدیک طیف مرئی استفاده می شوند.

به طور کلی ، هر ابزار خاصی به دلیل تکنیک های مختلفی که برای اندازه گیری بخش های مختلف طیف استفاده می شود ، بر روی بخش کوچکی از این محدوده عمل خواهد کرد. در زیر فرکانس های نوری (یعنی در فرکانس های مایکروویو و رادیو ) ، نحلیل گر طیف به طور نزدیک با یک دستگاه الکترونیکی مرتبط است.

طیف سنج در بسیاری از زمینه ها استفاده می شود. به عنوان مثال ، آنها در نجوم مورد استفاده قرار می گیرند تا تابش اشعه های حاصل از اشیا نجومی را مورد تجزیه و تحلیل قرار دهند و ترکیب شیمیایی آن ها را استنباط کنند. در طیف سنج از منشور یا توری پراش استفاده می کند تا نور را از یک جسم دوردست در یک بازه طیفی جداسازی کند. این امر به ستاره شناسان اجازه می دهد تا بسیاری از عناصر شیمیایی را با اثر انگشت طیفی مشخصه خود تشخیص دهند. اگر جسم به خودی خود درخشان باشد ، خطوط طیفی ناشی از خود گاز درخشان را نشان می دهد. این خطوط برای عناصری که باعث ایجاد آنها می شوند ، مانند خطوط هیدروژن آلفا ، بتا و گاما نامگذاری شده اند. ترکیبات شیمیایی نیز ممکن است با جذب مشخص شوند. به طور معمول این نوارهای تاریک در مکانهای خاص در طیف ناشی از جذب انرژی هستند ، زیرا نور از اجسام دیگر جذب می شود. بیشتر دانش ما در مورد ترکیب شیمیایی جهان از طیف ها ناشی می شود.

Spectroscope
نام های دیگرSpectrograph
ابزارهای مرتبطMass spectrograph
مقایسه طیف سنجهای مبتنی بر پراش مختلف: اپتیک بازتابی ، اپتیک انکساری ، فیبر / اپتیک مجتمع [نیازمند منبع]

طیف سنجها اغلب در نجوم و بعضی از شاخه های شیمی مورد استفاده قرار می گیرند. طیف سنجی های اولیه با فارغ التحصیلی هایی که طول موج نور را نشان می دهند ، منشور بودند. طیف سنج های مدرن عموماً از توری پراش ، شکاف متحرک و نوعی فوتودکتور استفاده می کنند که همگی توسط یک کامپیوتر کنترل می شوند .

یوزف فون فرانهوفر اولین طیف سنجی مدرن را با ترکیب یک منشور ، شکاف پراش و تلسکوپ به روشی که باعث افزایش وضوح طیفی شده و در آزمایشگاه های دیگر قابل تکرار است ، توسعه داد. فرانهوفر همچنین اولین طیف سنج مبتنی بر توری پراش را اختراع کرد. [۲] گوستاو رابرت کیرشهوف و روبرت بونزن کاربرد طیف سنجی ها را برای تجزیه و تحلیل شیمیایی کشف کردند و از این روش برای کشف سزیم و روبیدیم استفاده کردند. [۳] [۴] تجزیه و تحلیل کیرشهوف و یونزن همچنین توضیح شیمیایی طیف های ستاره ای ، از جمله خطوط فرانهوفر را ممکن ساخت . [۵]

هنگامی که یک ماده در لامپ ها گرم می شوند ، نوری را منتشر می کند که مشخصه آرایش اتمی مواد است. فرکانس های خاص نور باعث ایجاد نوارهایی پر شدت می باشد که می توان آن ها را به عنوان اثر انگشت در نظر گرفت. به عنوان مثال ، عنصر سدیم دارای یک باند زرد دو مشخصه بسیار معروف است که با نام های Sodium D-lines در 588.9950 و 589.5924 نانومتر شناخته می شود ، رنگ آن برای هر کسی که لامپ بخار سدیم با فشار کم دیده است ، آشنا خواهد بود.

در طراحی طیف سنجی اصلی در اوایل قرن نوزدهم ، نور وارد شکاف شد و یک لنز موازی ساز نور را به یک پرتو نازک از پرتوهای موازی تبدیل کرد. نور پس از آن از طریق یک منشور (در طیف سنج های دستی، معمولا منشور AMICI ) عبور کرد، پرتو را به داخل طیف شکسنه می شد زیرا طول موج های مختلف به دلیل پراکندگی مقادیر مختلفی از شکست را به دنبال خواهد داشت. این تصویر سپس از طریق یک لوله با مقیاس که بر روی تصویر طیفی جابجایی شده است ، مشاهده شد و اندازه گیری مستقیم آن را امکان پذیر کرد.

با توسعه فیلم عکاسی ، طیف نگاری دقیق تری ایجاد شد. این مبتنی بر همان اصل طیف سنجی بود ، اما به جای لوله مشاهده ، یک دوربین وجود داشت. در سال های اخیر ، مدارهای الکترونیکی ساخته شده و PMT ها جایگزین دوربین شده اند ، و این امکان را برای تجزیه و تحلیل طیفی در زمان واقعی با دقت بسیار بیشتر فراهم می کند. در سیستم های طیفی نیز از آرایه های حسگرهای عکس به جای فیلم استفاده می شود. چنین تجزیه و تحلیل طیفی ، یا طیف سنجی ، به یک ابزار علمی مهم برای تجزیه و تحلیل ترکیب مواد ناشناخته و بررسی پدیده های نجومی و آزمایش نظریه های نجومی تبدیل شده است.

در طیف نگاری های مدرن در اشعه ماوراء بنفش ، مرئی ، و طیف های طیف نزدیک به IR ، طیف به طور کلی به شکل تعداد فوتون در واحد طول موج (نانومتر یا میکرومتر) ، عدد موج (mm -1 ، cm -1 ) ، فرکانس (THz) یا انرژی (eV) داده می شود. در نواحی فرو سرخ میانی و فرو سرخ دور ، طیف ها به طور معمول در واحدهای وات در واحد طول موج (میکرومتر) یا عدد موج (cm -1 ) بیان می شوند. در بسیاری موارد ، طیف با واحدهای باقی مانده ضمنی نمایش داده می شود (مانند "شمارش دیجیتال" در هر کانال طیفی).

پرونده:Units visible spectrum.png
مقایسه چهار نوع abscissa که معمولاً برای طیف سنجهای مرئی استفاده می شود.
پرونده:Units IR spectrum.png
مقایسه چهار نوع abscissa که معمولاً برای طیف سنجهای مادون قرمز استفاده می شود.

طیف سنجیویرایش

 
طیف سنجی بسیار ساده و مبتنی بر منشور

طیف نگاری ستاره ای و خورشیدیویرایش

اولین طیف نگارها از کاغذهای عکاسی به عنوان ردیاب استفاده می کردند. طبقه بندی طیف ستاره ای و کشف توالی اصلی ، قانون هابل و دنباله هابل همه با طیف نگاری هایی انجام شده است که از کاغذ عکاسی استفاده می کردند. رنگدانه های گیاهی فیتو کروم با استفاده از طیف نگاری که از گیاهان زنده به عنوان آشکارساز استفاده می شود ، کشف شد. طیف نگاری های اخیر از آشکارساز های الکترونیکی مانند CCD هایی استفاده می کنند که می توانند برای نور مرئی و UV استفاده شوند. انتخاب دقیق آشکارساز بستگی به طول موج نوری دارد که باید ثبت شود.

تلسکوپ فضایی جیمز وب حاوی طیف نگاری مادون قرمز نزدیک (NIRSpec) و یک طیف سنج مادون قرمز متوسط (MIRI) خواهد بود.

  1. Butler, L. R. P.; Laqua, K. (1995). "Nomenclature, symbols, units and their usage in spectrochemical analysis-IX. Instrumentation for the spectral dispersion and isolation of optical radiation (IUPAC Recommendations 1995)". Pure Appl. Chem. 67 (10): 1725–1744. doi:10.1351/pac199567101725. A spectrometer is the general term for describing a combination of spectral apparatus with one or more detectors to measure the intensity of one or more spectral bands.
  2. Brand, John C. D. (1995). Lines of Light: The Sources of Dispersive Spectroscopy, 1800–1930. Gordon and Breach Publishers. pp. 37–42. ISBN 978-2884491624.
  3. Weeks, Mary Elvira (1932). "The discovery of the elements. XIII. Some spectroscopic discoveries". Journal of Chemical Education. 9 (8): 1413–1434. Bibcode:1932JChEd...9.1413W. doi:10.1021/ed009p1413.
  4. "Robert Bunsen". infoplease. Pearson Education. 2007. Retrieved 2011-11-21.
  5. Brand 1995

طیف سنج نوری در کرلی