Espectrómetros

Espectrómetro

Un espectrómetro (también llamado espectroscopio o espectrógrafo) es un instrumento óptico que se usa para medir las propiedades de la luz sobre una porción específica del espectro electromagnético. Su utilidad es realizar análisis espectroscópicos para identificar materiales. La variable medida es generalmente la intensidad de la luz, pero también podría ser, por ejemplo, el estado de polarización.


 La variable independiente es, por lo general, la longitud de onda de la luz, que suele expresarse como una fracción de metro, aunque a veces se expresa como una unidad directamente proporcional a la energía del fotón, tales como el número de onda o los voltios de los electrones (que tiene una relación recíproca a la longitud de onda).

Un espectrómetro se usa en espectroscopia para producir líneas espectrales y medir sus longitudes de onda e intensidades. Son instrumentos que funcionan en una amplia variedad de longitudes de onda, desde rayos gamma y rayos X hasta el infrarrojo lejano. Si la región de interés está restringida a un rango cercano al espectro visible, el estudio se llama espectrofotometría.

En general, cada espectrómetro funcionará sobre una pequeña porción de este rango total debido a las diferentes técnicas usadas para medir las distintas porciones del espectro. Por debajo de las frecuencias ópticas (es decir, en el rango de las microondas y radiofrecuencias), el analizador de espectro es un dispositivo electrónico estrechamente relacionado.

Espectroscopios

Comparación de diferentes espectrómetros basados en la difracción: reflexión óptica, refracción óptica y fibra óptica.

Los espectroscopios se usan a menudo en astronomía y en algunas ramas de la química. Los primeros aparatos de este tipo eran simplemente un prisma con graduaciones que marcaban las longitudes de onda de la luz. Los espectroscopios modernos, como los monocromadores, generalmente usan una rejilla de difracción, una hendidura móvil y una especie de fotodetector, además de estar automatizados y controlados por un ordenador. El espectroscopio fue inventado por Gustav Robert Georg Kirchhoff y por Robert Wilhelm Bunsen.

Cuando un material se calienta hasta la incandescencia emite una luz que es característica de la composición atómica del material. Las frecuencias de luz particulares dan lugar a bandas bruscamente definidas en la escala, que son similares a huellas digitales. Por ejemplo, el elemento sodio tiene una doble banda amarilla muy característica, conocida como líneas D del sodio a 588.9950 y 589.5924 nanómetros, cuyo color será familiar a quien haya visto una lámpara de vapor de sodio de baja presión.

En el diseño del espectroscopio original, a principios del siglo XIX, la luz entraba en una hendidura y una lente colimadora transformaba la luz en un haz delgado de rayos paralelos. La luz pasaba entonces por un prisma (en espectroscopios portátiles, por lo general un prisma Amici) que refractaba el haz de luz en un espectro, debido a que las diferentes longitudes de onda eran refractadas en cantidades diferentes por la dispersión. Esta imagen se veía entonces a través de un tubo con una escala que se transponía sobre la imagen espectral, permitiendo su medida directa.

Con el desarrollo de la película fotográfica, se creó el espectrógrafo, que era más exacto. Estaba basado en el mismo principio que el espectroscopio, pero tenía una cámara en lugar del tubo de inspección. En años recientes, la cámara ha sido sustituida por circuitos electrónicos construidos alrededor del tubo fotomultiplicador, permitiendo el análisis espectrográfico en tiempo real con mucha más exactitud. En los sistemas espectrográficos también se usan series de fotosensores en lugar de la película.

Tal análisis espectral, o espectroscopia, se ha convertido en un importante instrumento científico para analizar la composición de material desconocido, y para estudiar fenómenos y teorías astronómicas. El espectrómetro mide longitudes de onda.

Espectrógrafos

Esquema de un espectrómetro de rejilla

Un espectrógrafo es un instrumento que transforma una forma de onda de dominio temporal entrante en un espectro de frecuencia, o generalmente en una secuencia de tales espectros. Hay varias clases de máquinas a las que se llama espectrógrafos, según la naturaleza precisa de las ondas. Los primeros espectrógrafos usaban papel fotográfico como detector. La clasificación espectral de estrellas y el descubrimiento de la secuencia principal, la ley de Hubble y la secuencia de Hubble, se hicieron con espectrógrafos que usaban papel fotográfico. El pigmento vegetal fitocromo fue descubierto con un espectrógrafo que usaba plantas vivas como detectores. Los espectrógrafos más recientes usan detectores electrónicos, como cámaras CCDs que pueden usarse tanto para luz visible como para luz ultravioleta. La elección exacta del detector depende de las longitudes de onda de la luz que va a ser registrada.

El próximo Telescopio Espacial de James Webb contendrá un espectrógrafo cercano al infrarrojo (NIRSpec) y un espectrómetro en mitad del infrarrojo (MIRI).

Un espectrógrafo de escala usa dos rejillas de difracción, giradas 90 grados una respecto a la otra y colocadas cerca. Por lo tanto, se usa un punto de entrada y no una hendidura, mientras que un segundo chip CCD registra el espectro. Con este pequeño chip se consigue un espectro muy fino, y tiene como ventaja que la óptica colimadora no tiene que ser optimizada para coma o astigmatismo, ya que la aberración esférica puede ser establecida a cero.

A veces al espectrógrafo se le llama policromador, como analogía de monocromador.