Một nhiễu xạ rất lớn nằm ở trung tâm của máy quang phổ ESPRESSO cực kỳ chính xác.

Quang phổ là một lĩnh vực đủ rộng có nhiều phân ngành tồn tại, mỗi ngành có nhiều triển khai các kỹ thuật quang phổ cụ thể. Các triển khai và kỹ thuật khác nhau có thể được phân loại theo nhiều cách.

Loại năng lượng bức xạ

Các loại quang phổ được phân biệt bởi loại năng lượng bức xạ liên quan đến tương tác. Trong nhiều ứng dụng, phổ được xác định bằng cách đo những thay đổi về cường độ và tần số của năng lượng này. Các loại năng lượng bức xạ được nghiên cứu bao gồm:

• Bức xạ điện từ là nguồn gốc đầu tiên của năng lượng sử dụng cho nghiên cứu quang phổ. Các kỹ thuật sử dụng bức xạ điện từ thường được phân loại theo vùng bước sóng của phổ và bao gồm vi sóng, terahertz, hồng ngoại, cận hồng ngoại, tia cực tím, tia X và quang phổ gamma.
• Các hạt, do sóng de Broglie của chúng, cũng có thể là một nguồn năng lượng bức xạ. Cả phổ điện tử và neutron thường được sử dụng. Đối với một hạt, nó động năng xác định bước sóng của nó.
• Quang phổ âm học liên quan đến sóng áp lực bức xạ.
• Phân tích cơ học động có thể được sử dụng để truyền năng lượng bức xạ, tương tự như sóng âm, đến vật liệu rắn.

Bản chất của sự tương tác

Các loại quang phổ cũng có thể được phân biệt bởi bản chất của sự tương tác giữa năng lượng và vật liệu. Những tương tác này bao gồm:[1]

• Quang phổ hấp thụ: Hấp thụ xảy ra khi năng lượng từ nguồn bức xạ được hấp thụ bởi vật liệu. Độ hấp thụ thường được xác định bằng cách đo phần năng lượng truyền qua vật liệu, với độ hấp thụ giảm phần truyền đi.
• Quang phổ phát xạ: Phát xạ chỉ ra rằng năng lượng bức xạ được giải phóng bởi vật liệu. Phổ đen của vật liệu là phổ phát xạ tự phát được xác định bởi nhiệt độ của nó. Tính năng này có thể được đo bằng hồng ngoại bằng các dụng cụ như giao thoa kế bức xạ phát ra trong khí quyển.[4] Phát xạ cũng có thể được gây ra bởi các nguồn năng lượng khác như ngọn lửa hoặc tia lửa hoặc bức xạ điện từ trong trường hợp huỳnh quang.
• Quang phổ tán xạ đàn hồi và phổ phản xạ xác định cách bức xạ sự cố được phản xạ hoặc tán xạ bởi một vật liệu. Tinh thể học sử dụng sự tán xạ của bức xạ năng lượng cao, chẳng hạn như tia X và electron, để kiểm tra sự sắp xếp của các nguyên tử trong protein và tinh thể rắn.
• Quang phổ trở kháng: Trở kháng là khả năng của một phương tiện để cản trở hoặc làm chậm sự truyền năng lượng. Đối với các ứng dụng quang học, điều này được đặc trưng bởi chỉ số khúc xạ.
• Hiện tượng tán xạ không đàn hồi liên quan đến sự trao đổi năng lượng giữa bức xạ và vật chất làm thay đổi bước sóng của bức xạ tán xạ. Chúng bao gồm tán xạ Raman và Compton.
• Quang phổ kết hợp hoặc cộng hưởng là các kỹ thuật trong đó năng lượng bức xạ kết hợp hai trạng thái lượng tử của vật liệu trong một tương tác kết hợp được duy trì bởi trường bức xạ. Sự kết hợp có thể bị phá vỡ bởi các tương tác khác, chẳng hạn như va chạm hạt và truyền năng lượng, và do đó thường đòi hỏi bức xạ cường độ cao để được duy trì. Quang phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) là phương pháp cộng hưởng được sử dụng rộng rãi, và quang phổ laser cực nhanh cũng có thể có ở các vùng phổ hồng ngoại và khả kiến.

Loại vật liệu

Các nghiên cứu quang phổ được thiết kế sao cho năng lượng bức xạ tương tác với các loại vật chất cụ thể.

Nguyên tử

Quang phổ nguyên tử là ứng dụng đầu tiên của quang phổ học được phát triển. Quang phổ hấp thụ nguyên tử và quang phổ phát xạ nguyên tử liên quan đến ánh sáng nhìn thấy và tia cực tím. Những sự hấp thụ và phát thải này, thường được gọi là các vạch phổ nguyên tử, là do sự chuyển đổi điện tử của các electron lớp vỏ ngoài khi chúng tăng và giảm từ quỹ đạo này sang quỹ đạo khác. Các nguyên tử cũng có quang phổ tia X riêng biệt do sự kích thích của các electron lớp vỏ bên trong đến trạng thái kích thích.

Các nguyên tử của các nguyên tố khác nhau có quang phổ riêng biệt và do đó quang phổ nguyên tử cho phép xác định và định lượng thành phần nguyên tố của mẫu. Sau khi phát minh ra máy quang phổ, Robert Bunsen và Gustav Kirchhoff đã phát hiện ra các nguyên tố mới bằng cách quan sát phổ phát xạ của chúng. Các dòng hấp thụ nguyên tử được quan sát trong phổ mặt trời và được gọi là các dòng Fraunhofer sau khi người phát hiện ra chúng. Một lời giải thích toàn diện về phổ hydro là một thành công ban đầu của cơ học lượng tử và giải thích sự dịch chuyển Lamb được quan sát trong phổ hydro, điều này càng dẫn đến sự phát triển của điện động lực học lượng tử.

Các triển khai hiện đại của quang phổ nguyên tử để nghiên cứu các chuyển đổi nhìn thấy và cực tím bao gồm quang phổ phát xạ ngọn lửa , quang phổ phát xạ nguyên tử plasma kết hợp cảm ứng , quang phổ phóng điện phát quang, quang phổ plasma gây ra bằng lò vi sóng và quang phổ phát xạ tia lửa hoặc hồ quang. Kỹ thuật nghiên cứu quang phổ tia X bao gồm quang phổ tia X và huỳnh quang tia X.

Phân tử

Sự kết hợp của các nguyên tử thành các phân tử dẫn đến việc tạo ra các loại trạng thái năng lượng độc đáo và do đó quang phổ duy nhất của sự chuyển tiếp giữa các trạng thái này. Phổ phân tử có thể thu được do trạng thái spin electron (cộng hưởng từ trường điện tử), quay phân tử, rung phân tử và trạng thái điện tử. Xoay là chuyển động tập thể của hạt nhân nguyên tử và thường dẫn đến quang phổ trong các vùng phổ sóng vi ba và milimet. Quang phổ quay và quang phổ vi sóng là đồng nghĩa. Rung động là chuyển động tương đối của hạt nhân nguyên tử và được nghiên cứu bằng cả phổ hồng ngoại và phổ Raman. Kích thích điện tử được nghiên cứu bằng quang phổ nhìn thấy và tia cực tím cũng như quang phổ huỳnh quang.

Các nghiên cứu về quang phổ phân tử đã dẫn đến sự phát triển của maser đầu tiên và góp phần vào sự phát triển tiếp theo của laser.

Pha lê và vật liệu mở rộng

Sự kết hợp của các nguyên tử hoặc phân tử thành tinh thể hoặc các dạng mở rộng khác dẫn đến việc tạo ra các trạng thái năng lượng bổ sung. Những tiểu bang này rất nhiều và do đó có mật độ cao của các tiểu bang. Mật độ cao này thường làm cho quang phổ yếu hơn và ít khác biệt hơn, nghĩa là rộng hơn. Chẳng hạn, bức xạ của người đen là do chuyển động nhiệt của các nguyên tử và phân tử trong vật liệu. Phản ứng âm thanh và cơ học là do chuyển động tập thể là tốt. Tuy nhiên, các tinh thể tinh khiết có thể có sự chuyển tiếp quang phổ riêng biệt và sự sắp xếp tinh thể cũng có ảnh hưởng đến quang phổ phân tử quan sát được. Cấu trúc mạng tinh thể thông thường của các tinh thể cũng tán xạ tia X, electron hoặc neutron cho phép nghiên cứu về tinh thể học.

hạt nhân

Các hạt nhân cũng có các trạng thái năng lượng riêng biệt được phân tách rộng rãi và dẫn đến phổ tia gamma . Các trạng thái spin hạt nhân khác biệt có thể có năng lượng của chúng được phân tách bằng một từ trường, và điều này cho phép quang phổ cộng hưởng từ hạt nhân .