La spettroscopia ottica è un mezzo per studiare le proprietà degli oggetti fisici basato sulla misurazione di come un oggetto emette e interagisce con la luce. Può essere utilizzato per misurare attributi come la composizione chimica di un oggetto, la temperatura e la velocità. Coinvolge la luce visibile, ultravioletta o infrarossa, da sola o in combinazione, e fa parte di un gruppo più ampio di tecniche spettroscopiche chiamate spettroscopia elettromagnetica. La spettroscopia ottica è una tecnica importante nei moderni campi scientifici come la chimica e l’astronomia.
Un oggetto diventa visibile emettendo o riflettendo fotoni e le lunghezze d’onda di questi fotoni dipendono dalla composizione dell’oggetto, insieme ad altri attributi come la temperatura. L’occhio umano percepisce la presenza e l’assenza di lunghezze d’onda diverse come colori diversi. Ad esempio, i fotoni con una lunghezza d’onda compresa tra 620 e 750 nanometri sono percepiti come rossi, quindi un oggetto che emette o riflette principalmente fotoni in quell’intervallo appare rosso. Utilizzando un dispositivo chiamato spettrometro, la luce può essere analizzata con una precisione molto maggiore. Questa misurazione precisa, combinata con la comprensione delle diverse proprietà della luce che diverse sostanze producono, riflettono o assorbono in varie condizioni, è la base della spettroscopia ottica.
Diversi elementi e composti chimici variano nel modo in cui emettono o interagiscono con i fotoni a causa delle differenze quantomeccaniche negli atomi e nelle molecole che li compongono. La luce misurata da uno spettrometro dopo che la luce è stata riflessa, attraversata o emessa dall’oggetto in esame ha le cosiddette righe spettrali. Queste righe sono nette discontinuità di luce o oscurità nello spettro che indicano un numero insolitamente alto o insolitamente basso di fotoni di particolari lunghezze d’onda. Sostanze diverse producono righe spettrali distintive che possono essere utilizzate per identificarle. Queste righe spettrali sono anche influenzate da fattori come la temperatura e la velocità dell’oggetto, quindi anche la spettroscopia può essere utilizzata per misurarle. Oltre alla lunghezza d’onda, anche altre caratteristiche della luce, come la sua intensità, possono fornire informazioni utili.
La spettroscopia ottica può essere eseguita in diversi modi, a seconda di ciò che si sta studiando. Gli spettrometri individuali sono dispositivi specializzati che si concentrano sull’analisi precisa di parti specifiche e ristrette dello spettro elettromagnetico. Pertanto esistono in un’ampia varietà di tipi per diverse applicazioni.
Uno dei principali tipi di spettroscopia ottica, chiamata spettroscopia di assorbimento, si basa sull’identificazione delle lunghezze d’onda della luce che una sostanza assorbe misurando i fotoni che lascia passare. La luce può essere prodotta appositamente per questo scopo con apparecchiature come lampade o laser o può provenire da una fonte naturale, come la luce delle stelle. È più comunemente usato con i gas, che sono abbastanza diffusi da interagire con la luce pur consentendole il passaggio. La spettroscopia di assorbimento è utile per identificare le sostanze chimiche e può essere utilizzata per differenziare elementi o composti in una miscela.
Questo metodo è estremamente importante anche nell’astronomia moderna ed è spesso utilizzato per studiare la temperatura e la composizione chimica degli oggetti celesti. La spettroscopia astronomica misura anche la velocità di oggetti distanti sfruttando l’effetto Doppler. Le onde luminose di un oggetto che si muove verso l’osservatore sembrano avere frequenze più alte e quindi lunghezze d’onda inferiori rispetto alle onde luminose di un oggetto fermo rispetto all’osservatore, mentre le onde di un oggetto che si allontana sembrano avere frequenze più basse. Questi fenomeni sono chiamati rispettivamente blueshift e redshift, perché l’innalzamento della frequenza di un’onda di luce visibile la sposta verso l’estremità blu/viola dello spettro, mentre l’abbassamento della frequenza la sposta verso il rosso.
Un’altra forma importante di spettroscopia ottica è chiamata spettroscopia di emissione. Quando atomi o molecole sono eccitati da una fonte di energia esterna come luce o calore, aumentano temporaneamente il livello di energia prima di tornare al loro stato fondamentale. Quando le particelle eccitate ritornano al loro stato fondamentale, rilasciano l’energia in eccesso sotto forma di fotoni. Come nel caso dell’assorbimento, diverse sostanze emettono fotoni di diverse lunghezze d’onda che possono poi essere misurate e analizzate. In una forma comune di questa tecnica, chiamata spettroscopia a fluorescenza, il soggetto analizzato viene energizzato con luce, solitamente luce ultravioletta. Nella spettroscopia delle emissioni atomiche viene utilizzato il fuoco, l’elettricità o il plasma.
La spettroscopia a fluorescenza è comunemente usata in biologia e medicina, poiché è meno dannosa per i materiali biologici rispetto ad altri metodi e perché alcune molecole organiche sono naturalmente fluorescenti. La spettroscopia di assorbimento atomico viene utilizzata nell’analisi chimica ed è particolarmente efficace per rilevare i metalli. Diversi tipi di spettroscopia ad assorbimento atomico vengono utilizzati per scopi quali l’identificazione di minerali preziosi nei minerali, l’analisi delle prove dalle scene del crimine e il mantenimento del controllo di qualità nella metallurgia e nell’industria.