Quang phổ là gì? Định nghĩa, đặc điểm từng loại quang phổ

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.

Các loại quang phổ

Hiện nay, có tổng cộng 3 loại quang phổ phổ biến. Cụ thể, các loại quang phổ sẽ có những đặc điểm đặc trưng khác nhau cho từng loại  như sau:

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: Loại quang phổ này có nguồn từ các chất rắn, chất lỏng hoặc chất khí có áp suất lớn bị nung nóng tạo thành.

Đặc điểm: Loại quang phổ này chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của nguồn sáng, không có sự phụ thuộc vào cấu tạo của nguồn phát.

Ví dụ: Nếu một miếng sứ và một miếng sắt ở cùng nhiệt độ thì sẽ phát ra quang phổ liên tục giống nhau.

Ứng dụng quang phổ liên tục: Dùng để xác định nguồn sáng, áp suất của nguồn sáng, đặc biệt là những nguồn sáng xa như mặt trời, sao,…

Quang phổ vạch phát xạ

Định nghĩa: Quang phổ vạch phát xạ là hệ thống những vạch sáng có tính chất riêng lẻ, bị ngăn cách bởi khoảng tối.

Nguồn phát: Loại quang phổ này do những chất khí bị kích thích bằng nhiệt hay điện ở áp suất thấp phát ra.

Đặc điểm: Quang phổ vạch phát xạ của các nguyên tố hay các chất khác nhau thì có sự khác nhau về số lượng vạch, vị trí (bước sóng) và cường độ ánh sáng của vạch.

Trên thực tế, từng nguyên tố hóa học sẽ có dạng quang phổ vạch đặc trưng và riêng biệt. Ví dụ như trong quang phổ vạch phát xạ của nguyên tử Hidro, ta sẽ nhìn thấy ở vùng ánh sáng có tổng cộng bốn vạch đặc trưng là: vạch đỏ, vạch lam, vạch chàm, vạch tím.

Ứng dụng của quang phổ vạch sáng: 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: Trong nhóm các loại quang phổ, quang phổ vạch hấp thụ là loại quang phổ đặc biệt nhất. Đây là một hệ thống cách vạch tối nằm trên quang phổ liên tục.

Nguồn phát: cả chất rắn, lỏng và khí đều có thể phát ra quang phổ vạch hấp thụ.

Đặc điểm: những vạch tối sẽ nằm đúng với vị trí các vạch màu trong quang phổ phát xạ của nguyên tố hóa học. Có thể căn cứ vào quang phổ vạch hấp thụ để nhận biết sự tồn tại của các nguyên tố trong các hợp chất hoặc hỗn hợp.

Ứng dụng của quang phổ vạch hấp thụ: Xác định thành phần cấu tạo của mặt trời và các vì sao, xác định sự có mặt của các nguyên tố hóa học trong một hỗn hợp.

Phân tích quang phổ

Một số phương pháp phân tích quang phổ thường được sử dụng:

• Phân tích định tính: Phương pháp này giúp xác định những nguyên tố cấu tạo nên hợp chất hoặc mẫu vạch bằng cách sử dụng quang phổ vạch.
• Phân tích định lượng:
  • Phương pháp này sử dụng quang phổ liên tục để xác định nhiệt độ của mẫu nghiên cứu.
  • Phương pháp này giúp xác định được nồng độ từng thành phần cấu tạo nên mẫu nghiên cứu nhờ sử dụng cường độ sáng của các vạch quang phổ. Người thực hiện thí nghiệm có thể phát hiện được nồng độ rất nhỏ của chất có trong mẫu vật (khoảng 0.002%)

Lợi ích của phép phân tích quang phổ:

• Cho kết quả nhanh hơn, nhạy hơn, chính xác hơn phép phân tích hóa học
• Khả năng phân tích từ xa, cho biết thành phần hóa học, nhiệt độ

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

Bảng tổng quát phân biệt các loại quang phổ

Bảng tổng quát dưới đây giúp các em học sinh phân biệt các loại quang phổ dễ dàng hơn.