La espectroscopia óptica es un medio de estudiar las propiedades de los objetos físicos basándose en medir cómo un objeto emite e interactúa con la luz. Se puede utilizar para medir atributos como la composición química, la temperatura y la velocidad de un objeto. Involucra luz visible, ultravioleta o infrarroja, sola o en combinación, y es parte de un grupo más grande de técnicas espectroscópicas llamadas espectroscopía electromagnética. La espectroscopia óptica es una técnica importante en campos científicos modernos como la química y la astronomía.
Un objeto se vuelve visible al emitir o reflejar fotones, y las longitudes de onda de estos fotones dependen de la composición del objeto, junto con otros atributos como la temperatura. El ojo humano percibe la presencia y ausencia de diferentes longitudes de onda como colores diferentes. Por ejemplo, los fotones con una longitud de onda de 620 a 750 nanómetros se perciben como rojos, por lo que un objeto que emite o refleja principalmente fotones en ese rango se ve rojo. Usando un dispositivo llamado espectrómetro, la luz se puede analizar con mucha mayor precisión. Esta medición precisa, combinada con la comprensión de las diferentes propiedades de la luz que las diferentes sustancias producen, reflejan o absorben en diversas condiciones, es la base de la espectroscopía óptica.
Los diferentes elementos y compuestos químicos varían en la forma en que emiten o interactúan con los fotones debido a las diferencias mecánicas cuánticas en los átomos y moléculas que los componen. La luz medida por un espectrómetro después de que la luz ha sido reflejada, pasada o emitida por el objeto que se está estudiando tiene lo que se llama líneas espectrales. Estas líneas son discontinuidades agudas de luz u oscuridad en el espectro que indican números inusualmente altos o inusualmente bajos de fotones de longitudes de onda particulares. Diferentes sustancias producen líneas espectrales distintivas que pueden usarse para identificarlas. Estas líneas espectrales también se ven afectadas por factores como la temperatura y la velocidad del objeto, por lo que la espectroscopia también se puede utilizar para medirlas. Además de la longitud de onda, otras características de la luz, como su intensidad, también pueden proporcionar información útil.
La espectroscopia óptica se puede realizar de varias formas diferentes, dependiendo de lo que se esté estudiando. Los espectrómetros individuales son dispositivos especializados que se enfocan en el análisis preciso de partes específicas y estrechas del espectro electromagnético. Por lo tanto, existen en una amplia variedad de tipos para diferentes aplicaciones.
Un tipo importante de espectroscopia óptica, llamada espectroscopia de absorción, se basa en identificar qué longitudes de onda de luz absorbe una sustancia midiendo los fotones que deja pasar. La luz se puede producir específicamente para este propósito con equipos como lámparas o láseres o puede provenir de una fuente natural, como la luz de las estrellas. Se usa más comúnmente con gases, que son lo suficientemente difusos como para interactuar con la luz y, al mismo tiempo, permiten que pase. La espectroscopia de absorción es útil para identificar productos químicos y puede usarse para diferenciar elementos o compuestos en una mezcla.
Este método también es extremadamente importante en la astronomía moderna y se utiliza a menudo para estudiar la temperatura y la composición química de los objetos celestes. La espectroscopia astronómica también mide la velocidad de los objetos distantes aprovechando el efecto Doppler. Las ondas de luz de un objeto que se mueve hacia el observador parecen tener frecuencias más altas y, por lo tanto, longitudes de onda más bajas que las ondas de luz de un objeto en reposo en relación con el observador, mientras que las ondas de un objeto que se aleja parecen tener frecuencias más bajas. Estos fenómenos se denominan desplazamiento al azul y desplazamiento al rojo, respectivamente, porque el aumento de la frecuencia de una onda de luz visible la mueve hacia el extremo azul / violeta del espectro, mientras que la disminución de la frecuencia la mueve hacia el rojo.
Otra forma importante de espectroscopia óptica se llama espectroscopia de emisiones. Cuando los átomos o moléculas son excitados por una fuente de energía externa, como la luz o el calor, aumentan temporalmente el nivel de energía antes de volver a su estado fundamental. Cuando las partículas excitadas vuelven a su estado fundamental, liberan el exceso de energía en forma de fotones. Como ocurre con la absorción, diferentes sustancias emiten fotones de diferentes longitudes de onda que luego pueden medirse y analizarse. En una forma común de esta técnica, llamada espectroscopia de fluorescencia, el sujeto que se analiza se energiza con luz, generalmente luz ultravioleta. En la espectroscopia de emisiones atómicas se utiliza fuego, electricidad o plasma.
La espectroscopia de fluorescencia se usa comúnmente en biología y medicina, ya que es menos dañina para los materiales biológicos que otros métodos y porque algunas moléculas orgánicas son naturalmente fluorescentes. La espectroscopia de absorción atómica se utiliza en análisis químicos y es particularmente eficaz para detectar metales. Se utilizan diferentes tipos de espectroscopía de absorción atómica para fines tales como identificar minerales valiosos en minerales, analizar evidencia de escenas de crímenes y mantener el control de calidad en la metalurgia y la industria.