Optisk spektrometer - Optical spectrometer

"Spektrograf" omdirigerer her. Det skal ikke forveksles med Spectrogram .
For mere omfattende dækning af dette emne, se Fotometri (optik) .
Image
Gitterspektrometer skematisk
Image
Intern struktur af et gitterspektrometer: Lys kommer fra venstre side og diffrakterer på det øverste, midterste, reflekterende gitter. Lysets bølgelængde vælges derefter af spalten i øverste højre hjørne.

Et optisk spektrometer ( spektrofotometer , spektrograf eller spektroskop ) er et instrument, der bruges til at måle lysets egenskaber over en bestemt del af det elektromagnetiske spektrum , der typisk bruges i spektroskopisk analyse til at identificere materialer. Den målte variabel er oftest lysets intensitet, men kan for eksempel også være polarisationstilstanden . Den uafhængige variabel er normalt lysets bølgelængde eller en enhed, der er direkte proportional med fotonenergien , såsom reciprokke centimeter eller elektronvolt , som har et gensidigt forhold til bølgelængde.

Et spektrometer bruges i spektroskopi til at producere spektrale linjer og måle deres bølgelængder og intensiteter. Spektrometre kan fungere over en lang række ikke-optiske bølgelængder, fra gammastråler og røntgenstråler til langt infrarødt . Hvis instrumentet er designet til at måle spektret på en absolut skala frem for en relativ, kaldes det typisk et spektrofotometer . Størstedelen af ​​spektrofotometre bruges i spektrale områder nær det synlige spektrum.

Generelt vil ethvert bestemt instrument fungere over en lille del af dette samlede område på grund af de forskellige teknikker, der bruges til at måle forskellige dele af spektret. Nedenfor optiske frekvenser (dvs. ved mikrobølge og radio- frekvenser), den spektrumanalysator er en nært beslægtet elektronisk enhed.

Spektrometre bruges på mange områder. For eksempel bruges de i astronomi til at analysere stråling fra objekter og udlede deres kemiske sammensætning. Spektrometeret bruger et prisme eller et gitter til at sprede lyset ind i et spektrum. Dette gør det muligt for astronomer at opdage mange af de kemiske elementer ved deres karakteristiske spektrale linjer. Disse linjer er opkaldt efter de elementer, der forårsager dem, såsom hydrogen alfa , beta og gamma linjer. Et lysende objekt viser lyse spektrale linjer. Mørke linjer dannes ved absorption, for eksempel ved lys, der passerer gennem en gassky, og disse absorptionslinjer kan også identificere kemiske forbindelser. Meget af vores viden om universets kemiske sammensætning kommer fra spektre.

Spektroskoper

Spektroskop
Spektrometr.jpg
Andre navne Spektrograf
Relaterede varer Massespektrograf
Image
Sammenligning af forskellige diffraktionsbaserede spektrometre: Refleksionsoptik, refraktionsoptik, fiber/integreret optik

Spektroskoper bruges ofte i astronomi og nogle grene af kemi . Tidlige spektroskoper var simpelthen prismer med gradueringer, der markerede lysets bølgelængder. Moderne spektroskoper bruger generelt et diffraktionsgitter , en bevægelig spalte og en slags fotodetektor , der alle er automatiseret og styret af en computer .

Joseph von Fraunhofer udviklede det første moderne spektroskop ved at kombinere et prisme, diffraktionsspalte og teleskop på en måde, der øgede spektralopløsningen og var reproducerbar i andre laboratorier. Fraunhofer fortsatte også med at opfinde det første diffraktionsspektroskop. Gustav Robert Kirchhoff og Robert Bunsen opdagede anvendelsen af ​​spektroskoper til kemisk analyse og brugte denne tilgang til at opdage cæsium og rubidium . Kirchhoff og Bunsens analyse muliggjorde også en kemisk forklaring på stjernespektre , herunder Fraunhofer -linjer .

Når et materiale opvarmes til glødelampe , udsender det lys, der er karakteristisk for materialets atomære sammensætning. Særlige lysfrekvenser giver anledning til skarpt definerede bånd på skalaen, der kan betragtes som fingeraftryk. For eksempel elementet natrium har en meget karakteristisk dobbelt gule bånd kendt som natrium D-linier ved 588.9950 og 589.5924 nanometer, vil farven af hvilke være velkendt for enhver, der har set en lavtryk Na-lampe .

I det originale spektroskopdesign i begyndelsen af ​​1800 -tallet kom lys ind i en slids, og en kollimerende linse omdannede lyset til en tynd stråle af parallelle stråler. Lyset passerede derefter gennem et prisme (i håndholdte spektroskoper, normalt et Amici-prisme ), der bryder strålen ind i et spektrum, fordi forskellige bølgelængder blev brydet forskellige mængder på grund af spredning . Dette billede blev derefter set gennem et rør med en skala, der blev transponeret på det spektrale billede, hvilket muliggjorde dets direkte måling.

Med udviklingen af fotografisk film blev det mere præcise spektrograf skabt. Det var baseret på det samme princip som spektroskopet, men det havde et kamera i stedet for udsigtsrøret. I de senere år har de elektroniske kredsløb, der er bygget omkring fotomultiplikatorrøret , erstattet kameraet, hvilket muliggør realtids spektrografisk analyse med langt større nøjagtighed. Arrays af fotosensorer bruges også i stedet for film i spektrografiske systemer. Sådan spektralanalyse eller spektroskopi er blevet et vigtigt videnskabeligt redskab til at analysere sammensætningen af ​​ukendt materiale og til at studere astronomiske fænomener og teste astronomiske teorier.

I moderne spektrografer i UV-, synlige og nær-IR-spektrale områder er spektret generelt givet i form af fotonantal pr. Bølgelængdenhed (nm eller μm), bølgetal (μm −1 , cm −1 ), frekvens (THz ) eller energi (eV), med de enheder, der er angivet med abscissen . I mellem-til fjern-IR udtrykkes spektre typisk i watt-enheder pr. Bølgelængdenhed (μm) eller bølgetal (cm -1 ). I mange tilfælde vises spektret med implicerede enheder (f.eks. "Digitale tællinger" pr. Spektral kanal).

Image
En sammenligning af de fire abscissetyper, der typisk bruges til synlige spektrometre.
Image
En sammenligning af de fire abscissetyper, der typisk bruges til infrarøde spektrometre.

Spektrografer

Image
Et meget simpelt spektroskop baseret på et prisme
Image
Den KMOS spektrograf.
Image
Horisontal solspektrograf ved det tjekkiske astronomiske institut i Ondřejov, Tjekkiet

Et spektrograf er et instrument, der adskiller lys med dets bølgelængder og registrerer disse data. Et spektrograf har typisk et flerkanals detektorsystem eller kamera, der registrerer og registrerer lysspektret.

Udtrykket blev først brugt i 1876 af Dr. Henry Draper, da han opfandt den tidligste version af denne enhed, og som han plejede at tage flere fotografier af Vegas spektrum . Denne tidligste version af spektrografen var besværlig at bruge og vanskelig at håndtere.

Der er flere slags maskiner, der kaldes spektrografer , afhængigt af bølgernes præcise karakter. De første spektrografer brugte fotopapir som detektor. Anlægget pigment phytochrom blev opdaget under anvendelse af en spektrograf, der anvendes levende planter som detektoren. Nyere spektrografer bruger elektroniske detektorer, såsom CCD'er, der kan bruges til både synligt og UV -lys. Det nøjagtige valg af detektor afhænger af lysets bølgelængder, der skal registreres.

Et spektrograf kaldes undertiden polychromator , som en analogi til monochromator .

Stjerne- og solspektrograf

Stjernen spektrale klassificering og opdagelsen af den primære sekvens , Hubbles lov og Hubble sekvensen var alle lavet med spektrografer der brugte fotografisk papir. Det kommende James Webb-rumteleskop vil indeholde både et nær-infrarødt spektrograf ( NIRSpec ) og et mellem-infrarødt spektrograf ( MIRI ).

Echelle spektrograf

En Echelle -spektrograf bruger to diffraktionsgitre , roteret 90 grader i forhold til hinanden og placeret tæt på hinanden. Derfor bruges et indgangspunkt og ikke en spalte, og en 2d CCD-chip registrerer spektret. Normalt vil man gætte at hente et spektrum på diagonalet, men når begge gitre har en bred afstand, og den ene er flammet, så kun den første orden er synlig, og den anden er flammet for, at mange højere ordrer er synlige, får man en meget fint spektrum pænt foldet på en lille fælles CCD-chip. Den lille chip betyder også, at den kollimerende optik ikke behøver at blive optimeret til koma eller astigmatisme, men den sfæriske aberration kan sættes til nul.

Se også

Referencer

Bibliografi

eksterne links

Optisk spektrometer på Curlie