Wow, esta es una pregunta muy, muy amplia.
La espectroscopía está utilizando luz para determinar qué tipo de sustancia es. Si bien las técnicas espectroscópicas varían enormemente en la naturaleza, todas tienen una cosa en común:
- Brillan con luz sobre un tema y miran lo que sale de él para determinar qué hay dentro.
La espectroscopía ordinaria utiliza la ley de Lambert-Beer, que establece que cuando la luz pasa a través de un medio, su intensidad se debilitará en función de la distancia. La forma exacta en que la luz se debilita con la distancia depende del coeficiente de extinción de ese material. Sin embargo, estos coeficientes nunca son valores realmente claros, por lo que siempre que encuentre un valor de literatura de digamos 2400 (permanganato de potasio) y encuentre 2800, eso es lo suficientemente cercano. Pero eso también se superpone con muchas otras sustancias, por lo que es una técnica realmente difícil obtener una identificación precisa.
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Otra forma de aumentar su eficiencia es utilizando rayos X (que es lo que se usa en los aeropuertos) para ionizar ligeramente la muestra. Las sustancias volátiles absorben los rayos X de manera diferente, entonces digamos agua, lo que hace que sea relativamente fácil determinar si algo es peligroso o no. La mayoría de las veces no lo es, y es solo como un método de detección general.
Los rayos X funcionan forzando a un electrón desde la capa más interna de un átomo a salir de su capa, obligando a un electrón más alto a caer al estado de energía más bajo. Esto provoca la emisión de un fotón, que puede detectarse.
Luego está la espectroscopía Raman, que creo que es una de las técnicas Raman más prometedoras. Para explicar esto, retrocedamos unos pasos y observemos el impulso y el billar.
Cuando juegas al billar y golpeas una pelota, probablemente hayas notado que es difícil (pero no imposible) golpear la pelota blanca de tal manera que cuando golpea a otra pelota, la pelota blanca se detiene por completo y la otra sigue La velocidad del blanco.
Eso se llama colisiones elásticas. Las colisiones elásticas tienen energía cinética completamente preservada.
Sin embargo, a veces puede notar que la segunda bola no viaja con la misma velocidad que la bola blanca. Suponiendo que ambas bolas tengan la misma masa, parece que hubo algo de velocidad ‘perdida’. En esos casos, se perdió algo de energía cinética debido a la fricción o la deformación plástica. Esas colisiones se llaman inelásticas .
Lo mismo puede suceder con los fotones y los átomos. Cuando un fotón golpea un átomo, generalmente es solo Rayleigh disperso. En ese caso, el fotón incidente y el fotón disperso tienen la misma energía. Pero el fotón también puede golpear el átomo y llevar algunos de los electrones a un estado superior, por lo que pierde parte de su energía.
Esto no le sucede a las moléculas, aunque no es imposible. En las moléculas, lo golpeas y llevas la molécula a un estado vibratorio. Al igual que las transiciones eléctricas de un átomo, las moléculas tienen estados vibratorios distintivos que a menudo se describen como la huella digital de las moléculas.
Lo que sucede es básicamente la dispersión inelástica de fotones y es una de las mejores técnicas que existen. Desafortunadamente, solo alrededor de 1 de cada 10 millones de fotones se dispersa Raman. Las mediciones adecuadas de Raman son difíciles de hacer a temperatura ambiente y generalmente requieren que enfríe su espectrómetro.
“Pero espera, ¿qué es un espectrómetro Wouter?” Te escucho preguntar. Bueno, un espectrómetro es un dispositivo con el que puedes medir el espectro de la luz. Para comprender un espectrómetro, debe comprender un poco sobre la luz y cómo funciona.
La luz consiste en ondas electromagnéticas. Eso significa que la luz es básicamente un campo eléctrico y un campo magnético, pero esas dos partes oscilan. Eso significa que oscilan en fuerza a medida que pasa el tiempo. Pero esa no es la parte importante aquí. La parte importante es que la luz actúa como una onda . Es posible que haya oído hablar de partículas de luz llamadas fotones , pero aquí podemos aproximarnos a la luz como una onda (y la discusión se vuelve mucho más difícil una vez que intenta explicarlo usando fotones).
Cuando una ola (cualquier ola, ondas de agua está bien si eso es lo que estás imaginando) se encuentra con algún tipo de pequeña abertura u objeto, se doblará alrededor de ese objeto. Entonces, cuando las olas del mar se encuentran con algún tipo de roca, no es como si las olas se rompieran por completo en ese punto y hay una parte en el mar donde no hay olas detrás de él. Lenta pero constantemente, la luz se dobla alrededor de la roca. Ese efecto se llama difracción . Ocurre cuando las olas se encuentran con una roca, pero también cuando se encuentra con una abertura. Ahora, lo que puede hacer es que un objeto consista en muchos agujeros pequeños uno al lado del otro. Eso se llama una rejilla. Si tiene problemas para imaginarlo, piense que está en prisión y mira por la ventana. Hay bares en frente de la ventana. Esas barras también forman una rejilla. Pero la difracción de la luz no es tan dominante cuando hablamos de objetos de ese tamaño. está allí, pero la flexión es muy ligera. Cuanto más pequeña sea la rejilla, más dominante será este efecto.
La cantidad de experiencias de luz de difracción (o flexión) depende de su longitud de onda (la distancia entre dos picos de su campo EM). Cuando los agujeros de la rejilla (u objetos opacos) se vuelven similares en tamaño a la longitud de onda, comienza a ver la difracción en una escala visible. Pero si brillas luz blanca en una rejilla, todos los colores diferentes se doblarán de diferentes maneras. En el centro, toda la luz simplemente avanzará y solo verás blanco. Pero al lado ves púrpura, luego azul, luego verde, luego amarillo, luego naranja y luego rojo.
Las longitudes de onda más cortas (púrpura y azul) difractan menos que las longitudes de onda más largas (naranja y rojo). Entonces, lo que ha sucedido aquí es que la luz blanca se ha “separado” en las longitudes de onda formadas por el original.
Entonces, usando una rejilla, puede ver desde qué longitudes de onda se construyó su fuente de luz. Esto se llama espectro . Usando una rejilla usted mide el espectro de luz. Y eso es básicamente todo lo que hace un espectrómetro. Rompe la luz y mide las intensidades Primero haces brillar la luz en tu espectrómetro, y mides las diferentes intensidades de esos diferentes colores que están presentes en el espectro de tu fuente de luz.
Luego, brillas la misma luz en tu muestra y mides la luz que sale de ella. Algunas longitudes de onda se han absorbido más que otras. Este espectro de absorción es algo único para cada material, que es una forma de identificar vagamente su muestra. La mayoría de las veces, esta es una mala manera de identificar su muestra, y solo sirve como el primer paso en la espectroscopía. A partir de eso, se determina una longitud de onda adecuada que luego puede usarse para mediciones reales para mediciones de absorción utilizando la ley de Lambert-Beer.
También hay espectrometría de masas, pero esa es una técnica que no utiliza la luz para la identificación, por eso la he dejado fuera. Lo que básicamente hace allí es ionizar su muestra, ponerla en un campo magnético y medir la curva en la que viajará. Al medir la curva y establecer su campo magnético en un valor conocido, puede calcular la masa de esa partícula.
Si tiene más preguntas, ¡no dude en preguntar!
