Quang phổ phát xạ là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan

Quang phổ phát xạ là tập hợp bước sóng ánh sáng hoặc bức xạ điện từ mà chất phát ra khi nguyên tử, ion hoặc phân tử chuyển từ mức kích thích về mức cơ bản. Phổ này phản ánh cấu trúc năng lượng đặc trưng của nguyên tố hoặc phân tử, cho phép xác định thành phần hóa học và điều kiện vật lý mẫu thử.

Tóm tắt

Quang phổ phát xạ là tập hợp bước sóng ánh sáng hoặc bức xạ điện từ mà một chất phát ra khi các nguyên tử hoặc phân tử trong chất đó chuyển từ trạng thái kích thích về trạng thái cơ bản, phản ánh cấu trúc năng lượng nội tại và được ứng dụng rộng rãi trong phân tích thành phần và nghiên cứu vật liệu.

Định nghĩa quang phổ phát xạ

Quang phổ phát xạ (Emission spectrum) thu được khi các hạt mang năng lượng (electron, photon, plasma) kích thích nguyên tử/phân tử, sau đó chúng phát ra photon khi trở về trạng thái năng lượng thấp hơn.

Mỗi nguyên tố có bước sóng đặc trưng, giúp xác định thành phần hóa học và trạng thái vật lý của mẫu chất.

Nguyên lý cơ bản

Khi nguyên tử/phân tử hấp thụ năng lượng, electron chuyển lên mức kích thích; sau đó chúng phát xạ photon có năng lượng xác định: E=hνE = h\nu, trong đó h là hằng số Planck và ν là tần số.

Đặc trưng bước sóng λ của photon liên quan qua: λ=cν\lambda = \frac{c}{\nu}, với c tốc độ ánh sáng.

Cơ chế phát xạ

Phát xạ tự phát (spontaneous emission): electron ngẫu nhiên trở về trạng thái cơ bản, phát ra photon.

Phát xạ kích thích (stimulated emission): photon đến kích thích electron phát ra photon thứ hai cùng bước sóng, dẫn đến khuếch đại ánh sáng — nguyên lý của laser.

Phân loại quang phổ phát xạ

  • Quang phổ vạch: chỉ một số bước sóng rời rạc, đặc trưng nguyên tố (tham khảo NIST Atomic Spectra Database NIST).
  • Quang phổ liên tục: phát xạ từ plasma hoặc vật liệu nóng, không phân tách rõ ràng.
  • Quang phổ vạch phân tán rộng: hỗn hợp vạch và dải do nhiều trạng thái rung/chắn.

Thiết bị đo và kỹ thuật phổ

Máy phổ kế lăng kính, máy phổ kế phẳng và quang phổ kế huỳnh quang tia X (XRF) là các hệ thống chính để phân tích phát xạ.

Thiết lập thường bao gồm nguồn kích thích, buồng đo, lăng kính/khúc xạ và detector CCD hoặc photomultiplier.

Ứng dụng thực tiễn

  1. Phân tích thành phần hóa học trong địa chất, khoáng sản và vật liệu công nghiệp.
  2. Chẩn đoán y sinh qua phổ huỳnh quang phân tử (tham khảo American Chemical Society ACS).
  3. Giám sát môi trường (phân tích khí thải, nước thải).
  4. Nghiên cứu trời và vũ trụ học bằng quang phổ nguyên tử trong thiên văn học.

Yếu tố ảnh hưởng và sai số

  • Ánh sáng nền và nhiễu tín hiệu.
  • Điều kiện nhiệt độ, áp suất và độ ẩm trong buồng đo.
  • Độ ổn định nguồn kích thích và hiệu suất detector.

Xử lý dữ liệu và phân tích

Tiền xử lý bao gồm hiệu chỉnh nền, chuẩn hoá cường độ và hiệu chỉnh bước sóng.

Phân tích định lượng thường dựa trên đường chuẩn vạch chuẩn hoặc phương pháp chuẩn nội, kết hợp thuật toán deconvolution để tách chồng phổ.

Xu hướng nghiên cứu và phát triển

Phát triển hệ thống phổ di động miniaturized, tích hợp microfluidics cho ứng dụng hiện trường.

Ứng dụng trí tuệ nhân tạo và học máy trong xử lý phổ để tự động nhận dạng mẫu và dự đoán đặc tính vật liệu (xem IUPAC Spectroscopy Commission IUPAC).

Tóm tắt

Quang phổ phát xạ là tập hợp các bước sóng ánh sáng hoặc bức xạ điện từ mà một chất phát ra khi các nguyên tử, ion hoặc phân tử chuyển từ trạng thái kích thích về trạng thái cơ bản. Phổ này phản ánh cấu trúc năng lượng đặc trưng của từng nguyên tố và phân tử, cho phép phân tích định tính và định lượng thành phần hóa học trong nhiều lĩnh vực như địa chất, môi trường, y sinh và thiên văn học.

Phổ phát xạ thường được thu thập bằng các thiết bị quang phổ kế, sử dụng nguyên lý tán sắc hoặc nhiễu xạ để phân tách các bước sóng riêng biệt. Mỗi đường vạch hoặc dải trong phổ tương ứng với năng lượng của photon phát ra, theo công thức E=hνE = h\nuλ=cν\lambda = \frac{c}{\nu}, trong đó h là hằng số Planck và c là tốc độ ánh sáng.

Định nghĩa quang phổ phát xạ

Quang phổ phát xạ (Emission spectrum) là biểu đồ cường độ bức xạ phát ra theo bước sóng hoặc tần số khi chất liệu bị kích thích năng lượng bởi electron, photon hoặc plasma. Chất liệu bao gồm nguyên tử tự do, ion hoặc phân tử trong trạng thái khí hoặc plasma.

Khi năng lượng từ bên ngoài kích thích, electron trong nguyên tử/phân tử hấp thụ photon hoặc va chạm với electron năng lượng cao, nhảy lên các mức năng lượng cao hơn. Khi chúng trở về mức cơ bản hoặc mức thấp hơn, photon đặc trưng được phát xạ, tạo thành vạch phổ. Mỗi nguyên tố có tập hợp bước sóng phát xạ riêng biệt, trở thành “dấu vân tay” để nhận diện trong cơ học lượng tử [NIST].

Phổ phát xạ giúp xác định thành phần nguyên tố, nồng độ và điều kiện vật lý của mẫu thử. Trong quang phổ huỳnh quang, các phân tử phức tạp cũng cho phổ dải, hỗ trợ nghiên cứu cấu trúc phân tử và tương tác hóa học [ACS].

Nguyên lý cơ bản

Nguyên lý cơ bản của quang phổ phát xạ dựa trên hai định luật cơ bản của cơ học lượng tử:

  • Chuyển mức năng lượng: Electron hấp thụ năng lượng (photon hoặc va chạm) để chuyển lên mức kích thích, rồi trả lại năng lượng dưới dạng photon khi hạ xuống.
  • Quan hệ năng lượng-photon: Năng lượng photon phát ra tỷ lệ với hiệu năng lượng giữa hai mức, theo công thức E=hνE = h\nu. Bước sóng tương ứng được tính bằng λ=cν\lambda = \frac{c}{\nu}, với c là tốc độ ánh sáng.
Biến số Ý nghĩa
EE Năng lượng photon (Joule hoặc eV)
ν\nu Tần số photon (Hz)
λ\lambda Bước sóng photon (m hoặc nm)
h Hằng số Planck (6.626×10−34 J·s)
c Tốc độ ánh sáng (3.00×108 m/s)

Sự phân tách quang phổ có thể thực hiện qua lăng kính (tán sắc) hoặc lưới nhiễu xạ (nhiễu xạ), kết hợp detector CCD hoặc photomultiplier để thu cường độ theo bước sóng, đảm bảo độ phân giải phổ cao và độ nhạy tốt [IUPAC].

Cơ chế phát xạ

Cơ chế phát xạ bao gồm hai dạng chính:

  • Phát xạ tự phát (Spontaneous emission): Electron ở trạng thái kích thích tự ngẫu nhiên trở về mức năng lượng thấp hơn, phát ra photon với bước sóng đặc trưng. Tỷ lệ phát xạ tỉ lệ với số electron ở mức kích thích.
  • Phát xạ kích thích (Stimulated emission): Photon đến va chạm electron ở mức kích thích, thúc đẩy electron phát ra photon thứ hai cùng pha, bước sóng và hướng với photon kích thích, tạo hiệu ứng khuếch đại—nguyên lý nền tảng của laser [Laser Focus World].

Sự kết hợp hai cơ chế này trong môi trường cộng hưởng với gương phản xạ tạo đỉnh khuếch đại quang học, cho phép tạo ra chùm tia laser với độ đẳng hướng và độ cohérence cao. Phổ phát xạ trong laser thường rất hẹp, tập trung quanh một hoặc vài bước sóng xác định.

Loại phát xạ Đặc điểm Ứng dụng
Tự phát Không đồng pha, cường độ phụ thuộc mật độ kích thích Phổ phát xạ nguyên tử/ion trong quang phổ vạch
Kích thích Đồng pha, khuếch đại ánh sáng Laser y sinh, laser công nghiệp

Các bài báo, nghiên cứu, công bố khoa học về chủ đề quang phổ phát xạ:

Hai-Photon Laser Scanning Huỳnh quang Hiển vi Dịch bởi AI
American Association for the Advancement of Science (AAAS) - Tập 248 Số 4951 - Trang 73-76 - 1990
Sự kích thích phân tử bằng sự hấp thụ đồng thời của hai photon cung cấp độ phân giải ba chiều nội tại trong hiển vi huỳnh quang quét bằng laser. Việc kích thích các fluorophore có khả năng hấp thụ một photon trong vùng cực tím với dòng xung hồng ngoại cường độ tập trung dưới một phần nghìn giây đã làm khả thi các hình ảnh huỳnh quang của các tế bào sống và các vật thể hiển vi khác. Phát xạ huỳnh q...... hiện toàn bộ
#Kích thích hai-photon #hiển vi huỳnh quang quét laser #độ phân giải ba chiều #fluorophore #phát xạ huỳnh quang #quá trình tẩy trắng quang học
Cấu trúc nguyên tử và điện tử cục bộ của giao diện oxide/GaAs và SiO2/Si bằng cách sử dụng XPS có độ phân giải cao Dịch bởi AI
American Vacuum Society - Tập 16 Số 5 - Trang 1443-1453 - 1979
Cấu trúc hóa học của các lớp phim SiO2 mỏng, các oxit tự nhiên mỏng của GaAs (20–30 Å), và các giao diện oxit–bán dẫn tương ứng đã được điều tra bằng phương pháp quang phổ điện tử phát xạ tia X có độ phân giải cao. Các hồ sơ sâu của những cấu trúc này đã được thu được bằng cả hai kỹ thuật bắn phá ion argon và ăn mòn hóa học ướt. Sự phá hủy hóa học được gây ra bởi phương pháp định hình ion ...... hiện toàn bộ
#SiO2 #GaAs #giao diện oxit #quang phổ điện tử phát xạ tia X #cấu trúc chuyển giao điện tích
Đặc điểm hấp thụ của rhodamine 6G trên montmorillonite và laponite, được làm sáng tỏ từ quang phổ hấp thụ điện tử và phát xạ Dịch bởi AI
Canadian Science Publishing - Tập 62 Số 10 - Trang 1889-1894 - 1984
Nghiên cứu về sự hấp thụ của phẩm màu cation rhodamine 6G trên montmorillonite (bentonite Wyoming) và laponite (hectorite tổng hợp) đã được thực hiện bằng cách sử dụng quang phổ khả kiến và huỳnh quang cùng với các phương pháp nhiễu xạ tia X. Quá trình hấp thụ phẩm màu diễn ra thông qua cơ chế trao đổi cation. Dữ liệu tia X cho thấy phẩm màu cation đã hấp thụ nằm trong các khoảng không gi...... hiện toàn bộ
Phát triển phương pháp quang phổ phản xạ hồng ngoại gần (NIRS) cho các tính trạng liên quan đến chuyển đổi ethanol từ cỏ Napier (Pennisetum purpureum Schum.) có biến thiên gen Dịch bởi AI
BioEnergy Research - Tập 12 - Trang 34-42 - 2018
Cỏ Napier (Pennisetum purpureum Schum.) là một trong những nguồn nguyên liệu cho sản xuất sinh học và biofuel có năng suất cao nhất ở các khu vực bán nhiệt đới của Mỹ và thế giới. Ba mươi giống cỏ Napier với sự đa dạng di truyền đã được chọn từ một vườn ươm nguồn gen ở Tifton, GA và được phân tích về sợi, tro, nồng độ nitơ (N) và khả năng chuyển đổi sinh hóa thành ethanol. Một phương pháp hiệu chu...... hiện toàn bộ
#Cỏ Napier #Pennisetum purpureum #quang phổ phản xạ hồng ngoại gần #chuyển đổi ethanol #di truyền học
Xác định Titanium và Vanadium trong các chất xúc tác Ziegler-Natta bằng phương pháp quang phổ phát xạ nguyên tử plasma kết đôi cảm ứng Dịch bởi AI
Analytical Sciences - Tập 22 - Trang 855-859 - 2006
Một phương pháp xác định Ti và V sử dụng quang phổ phát xạ nguyên tử plasma kết đôi cảm ứng (ICP OES) trong các chất xúc tác polymer hóa Ziegler-Natta được đề xuất. Nồng độ của cả Ti và V được xác định một cách hiệu quả sau khi xử lý acid chất xúc tác bằng hỗn hợp HNO3 + HCl + HF và đun nóng (160°C trong 6 giờ) hoặc bằng 10% (v/v) H2SO4 và đun nóng (160°C trong 6 giờ) hoặc bằng 10% (v/v) H2SO4 và ...... hiện toàn bộ
#Titanium #Vanadium #Ziegler-Natta #ICP OES #RBS #SEM-EDX
Giới thiệu trực tiếp mẫu slurry trong phân tích tiêm dòng đa xilanh: Xác định kali trong mẫu thực vật Dịch bởi AI
Analytical Sciences - Tập 24 - Trang 601-606 - 2008
Công trình hiện tại khám phá phương pháp lấy mẫu slurry cho phân tích thực vật tự động dựa trên dòng chảy. Để thực hiện điều này, các van kẹp đã được đưa vào hệ thống phân tích tiêm dòng đa xilanh nhằm cung cấp sự lôi cuốn lặp lại một vài microlit thực vật huyền phù trước khi vật liệu được xử lý thêm qua hệ thống dòng chảy. Để xác định tính khả thi của phương pháp đề xuất, việc xác định kali bằng ...... hiện toàn bộ
#phân tích thực vật #mẫu slurry #kali #quang phổ phát xạ ngọn lửa #tiêu hóa vi sóng
Nhận diện chọn lọc ion Cobalt (II) bởi một hợp chất cryptand mới với nguyên tử cho N2O2S2 sở hữu nhóm Schiff base 2-Hydroxy-1-Naphthylidene Dịch bởi AI
Journal of Fluorescence - Tập 19 - Trang 655-662 - 2009
Một hợp chất cryptand mới mang nhóm Schiff base 2-hydroxy-1-naphthylidene (3) đã được thiết kế và tổng hợp thông qua phản ứng của hợp chất amine macrobicyclic tương ứng (1) và 2-hydroxy-1-naphthaldehyde (2). Ảnh hưởng của các cation kim loại như Mg2+, Ca2+, Sr2+, Fe2+, Co2+, Mn2+, Zn2+, Cd2+, Hg2+, Al3+ và Pb2+ lên các tính chất quang phổ của fluoroionophore mới đã được nghiên cứu trong dung dịch ...... hiện toàn bộ
#cryptand #Schiff base #ion cobalt #quang phổ hấp thụ #quang phổ phát xạ
Chẩn đoán quang phổ của plasmas phát xạ trong hỗn hợp kẽm diiodide với các khí trơ Dịch bởi AI
Optics and Spectroscopy - Tập 99 - Trang 703-706 - 2005
Các đặc điểm quang phổ của sự phát xạ plasmas áp suất khí trong hỗn hợp hơi kẽm diiodide với các khí trơ (He, Ne, Ar, Kr và Xe) được điều tra. Sự hình thành một plasma phát xạ khí và sự kích thích các thành phần của hỗn hợp làm việc được thực hiện trong một sự phát xạ rào cản tần số cao (với tần số lặp lại của các xung điện áp hình sin là 100 kHz). Sự phát xạ của vòi khí đã được phân tích trong ph...... hiện toàn bộ
#plasma #kẽm diiodide #khí trơ #phát xạ quang phổ #exciplex #excimer
Đặc điểm quang phổ phát xạ của các electron tương đối trong vùng trường laser cực mạnh Dịch bởi AI
Pleiades Publishing Ltd - Tập 24 - Trang 797-799 - 1998
Các sự khác biệt quan trọng được phát hiện giữa các đặc tính quang phổ của bức xạ phát ra từ các electron tương đối di chuyển trong trường của một laser terawatt và trường hợp chúng đi qua một trường tĩnh ngang. Vai trò của các hiệu ứng phi tuyến của việc sinh ra hài bậc cao và các hiệu ứng lượng tử của phản lực và spin trong việc phát xạ một photon cứng được phân tích trong khuôn khổ phương pháp ...... hiện toàn bộ
#electron tương đối #laser terawatt #phát xạ photon #hiệu ứng phi tuyến #hài bậc cao #hiệu ứng lượng tử #phương pháp Baer-Katkov
Tổng số: 83   
  • 1
  • 2
  • 3
  • 4
  • 5
  • 6
  • 9