Quang phổ là gì? Các nghiên cứu khoa học về Quang phổ

Quang phổ là gì?

Quang phổ (tiếng Anh: spectrum) là biểu diễn phân bố năng lượng của bức xạ điện từ theo bước sóng hoặc tần số. Nó cho thấy ánh sáng hoặc bức xạ phát ra, truyền qua hoặc bị hấp thụ bởi một vật thể hoặc môi trường như thế nào. Việc nghiên cứu quang phổ – còn gọi là quang phổ học (spectroscopy) – là một trong những công cụ quan trọng nhất trong vật lý, hóa học, thiên văn học và các ngành khoa học ứng dụng khác.

Mỗi nguyên tố, phân tử hoặc vật chất có dấu hiệu quang phổ đặc trưng riêng, như một “dấu vân tay” để nhận diện. Thông qua việc phân tích các dải quang phổ này, ta có thể suy luận thành phần, nhiệt độ, mật độ, chuyển động và nhiều tính chất vật lý khác của nguồn sáng hoặc vật thể tương tác với bức xạ điện từ.

Cấu trúc và cơ sở vật lý của quang phổ

Quang phổ xuất hiện khi ánh sáng bị phân tách thành các thành phần theo bước sóng hoặc tần số riêng biệt. Ánh sáng trắng từ Mặt Trời hoặc bóng đèn khi đi qua lăng kính hoặc cách tử nhiễu xạ sẽ tạo ra quang phổ liên tục từ đỏ đến tím.

Về mặt lượng tử, quang phổ phản ánh các mức năng lượng rời rạc trong nguyên tử và phân tử. Khi electron trong nguyên tử hấp thụ năng lượng, chúng nhảy lên mức năng lượng cao hơn. Khi trở về mức thấp hơn, chúng phát ra bức xạ có bước sóng xác định – chính là các vạch trong quang phổ:

$\Delta E = h \cdot f = h \cdot \frac{c}{\lambda}$

Trong đó, $h$ là hằng số Planck, $f$ là tần số, $\lambda$ là bước sóng và $c$ là tốc độ ánh sáng.

Phân loại quang phổ

Quang phổ được chia thành nhiều loại dựa trên nguồn phát, cách quan sát và bản chất vật lý:

1. Quang phổ liên tục

Xuất hiện khi ánh sáng phát ra từ vật rắn, lỏng hoặc khí có mật độ cao và nhiệt độ cao. Quang phổ trải dài liên tục từ vùng hồng ngoại đến tử ngoại, không có vạch gián đoạn. Ví dụ: ánh sáng từ Mặt Trời, bóng đèn sợi đốt.

Đặc điểm của quang phổ liên tục được mô tả bởi định luật Planck về bức xạ vật đen:

$B(\lambda, T) = \frac{2hc^2}{\lambda^5} \cdot \frac{1}{e^{\frac{hc}{\lambda kT}} - 1}$

Trong đó, $B(\lambda, T)$ là mật độ phổ năng lượng tại bước sóng $\lambda$ và nhiệt độ $T$.

2. Quang phổ vạch phát xạ

Khi một chất khí ở áp suất thấp bị kích thích (bằng điện hoặc nhiệt), nó phát ra ánh sáng gồm các bước sóng riêng biệt. Mỗi nguyên tố tạo ra bộ vạch phát xạ đặc trưng riêng. Ví dụ: quang phổ của natri có hai vạch vàng đặc trưng ở khoảng 589 nm.

Trong trường hợp hydro, các vạch thuộc chuỗi Balmer có thể tính bằng công thức:

$\frac{1}{\lambda} = R \left( \frac{1}{2^2} - \frac{1}{n^2} \right), \quad n = 3, 4, 5, \ldots$

3. Quang phổ hấp thụ

Xảy ra khi ánh sáng liên tục đi qua một chất khí hoặc môi trường hấp thụ. Các nguyên tử trong khí hấp thụ các bước sóng tương ứng với sự chuyển mức năng lượng của chúng, tạo ra các vạch tối trong quang phổ nền liên tục. Đây là hiện tượng quan trọng để phân tích thành phần khí quyển sao hoặc hành tinh.

Phổ điện từ và phạm vi quang phổ

Quang phổ là một phần của phổ điện từ, bao gồm toàn bộ các loại bức xạ điện từ từ tần số thấp đến cao:

• Sóng vô tuyến (tần số thấp, bước sóng dài)
• Sóng vi ba
• Bức xạ hồng ngoại
• Ánh sáng khả kiến (380–750 nm)
• Tia cực tím
• Tia X
• Tia gamma (tần số rất cao, bước sóng ngắn)

Tham khảo thêm tại NASA: Electromagnetic Spectrum.

Các kỹ thuật quang phổ phổ biến

Tuỳ theo vùng phổ và mục đích nghiên cứu, các kỹ thuật phổ biến gồm:

• Quang phổ hấp thụ tử ngoại – khả kiến (UV-Vis): Dùng để phân tích nồng độ và đặc tính phân tử.
• Quang phổ hồng ngoại (IR): Phân tích liên kết hóa học và cấu trúc phân tử.
• Quang phổ khối (Mass Spectrometry): Dù không trực tiếp đo ánh sáng, nhưng hoạt động theo nguyên lý tương tự và thường kết hợp với UV-Vis hay IR.
• Quang phổ phát xạ nguyên tử (AES) và hấp thụ nguyên tử (AAS): Được dùng trong phân tích kim loại và nguyên tố vi lượng.
• Quang phổ Raman: Dựa vào sự tán xạ không đàn hồi của ánh sáng để phân tích cấu trúc phân tử.

Xem thêm tại Thermo Fisher Scientific – Spectroscopy.

Ứng dụng của quang phổ trong thực tiễn

1. Hóa học và vật liệu

Quang phổ là công cụ then chốt trong phân tích hóa học, từ xác định nồng độ dung dịch đến cấu trúc và nhận diện hợp chất hữu cơ – vô cơ. Các nhà hóa học sử dụng IR để xác định liên kết, UV-Vis để đo nồng độ, và Raman để phân tích tinh thể.

2. Thiên văn học

Các nhà thiên văn dùng quang phổ để xác định thành phần sao, vận tốc tương đối (qua hiệu ứng Doppler), nhiệt độ và sự hình thành các thiên thể. Ví dụ: sự dịch chuyển đỏ (redshift) của quang phổ là bằng chứng cho sự giãn nở của vũ trụ.

Chi tiết tại European Southern Observatory.

3. Y học và sinh học

Trong sinh học phân tử và y học, quang phổ giúp phát hiện protein, DNA, cấu trúc mô, và đo lường tương tác sinh học. Kỹ thuật quang phổ cộng hưởng từ (NMR) là công cụ mạnh mẽ để xác định cấu trúc hóa học phức tạp.

Tham khảo tại NCBI: Applications of Spectroscopy in Medicine.

4. Môi trường và công nghiệp

Quang phổ được dùng trong giám sát ô nhiễm không khí (NOx, SOx, CO), phân tích nước (kim loại nặng), kiểm tra chất lượng thực phẩm, và sản xuất vật liệu tiên tiến. Các thiết bị phổ kế hiện đại giúp phát hiện dấu vết với độ chính xác cao.

Các thiết bị quang phổ chính

Một hệ thống phân tích quang phổ thường gồm:

• Nguồn sáng: Đèn deuterium (UV), đèn tungsten (Vis), laser (Raman).
• Hệ thống tán sắc: Lăng kính hoặc cách tử để tách ánh sáng.
• Bộ đơn sắc: Chọn lọc bước sóng cụ thể.
• Detector: CCD, photodiode, PMT (ống nhân quang điện).

Chi tiết về cấu trúc và ứng dụng các thiết bị phổ tại Ocean Insight – Spectrometers.

Kết luận

Quang phổ không chỉ là một công cụ đo lường mà còn là phương pháp khám phá bản chất sâu sắc của vật chất và vũ trụ. Từ phân tích cấu trúc phân tử đến quan sát sao cách xa hàng tỷ năm ánh sáng, quang phổ chứng minh vai trò then chốt trong khoa học hiện đại. Sự phát triển của công nghệ quang phổ sẽ tiếp tục mở rộng giới hạn nhận thức và ứng dụng thực tiễn trong nhiều lĩnh vực sống còn của nhân loại.