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A espectroscopia óptica engloba uma ampla variedade de técnicas usadas para estudar como a matéria interage com a luz. Técnicas de espectroscopia óptica são usadas em física, astronomia, química, biologia e campos de pesquisa associados. A análise espectroscópica tem sido crucial no desenvolvimento das teorias mais fundamentais da física, incluindo a mecânica quântica, as teorias especial e geral da relatividade e a eletrodinâmica quântica. A espectroscopia, aplicada a colisões de alta energia, tem sido uma ferramenta fundamental no desenvolvimento da compreensão científica das forças da natureza: força eletromagnética, forca nuclear forte e fraca.
O conceito principal na espectroscopia é a interação entre a radiação eletromagnética e os átomos. Esta interação nos permite estudar a estrutura dos materiais baseado no seu espectro de emissão ou espectro de absorção. Há atualmente diversos mecanismos de espectroscopia, variando de acordo com a frequência de luz incidente. O espectro eletromagnético compreende uma ampla faixa de frequências, o que equivale dizer, portanto, a uma ampla faixa de energias. A luz branca (o que chamamos de luz visível ou óptica) é a união de frequências de cores características, presentes no arco-íris. Se desejamos observar as cores devemos decompor a luz branca focaliza-a através de uma fenda em um prisma. A luz é então dispersa em um espectro de cores separadas espacialmente em arco. Porém, o espectro eletromagnético não se restringe apenas ao espectro visível, há outras regiões como infravermelho, raios-x, etc...
A matéria portanto pode ou não interagir com diferentes partes do espectro eletromagnético, os elementos de sua composição química possuem uma assinatura espectral característica individual para cada elemento constituinte. O conceito chave da espectroscopia é analisar o espectro e identificar quais elementos químicos apresentam esta assinatura, inferindo diretamente os constituintes elementais do material.
Pode-se dividir a espectroscopia em muitas subáreas, dependendo do que está sendo medido, estudado e como está sendo realizada a medida. Algumas divisões principais incluem espectrometria de massa, espectroscopia de elétrons, espectroscopia de absorção, espectroscopia de emissão, espectroscopia de raios-x, espectroscopia eletromagnética, espectroscopia a Laser, espectroscopia astronômica, etc.
Historicamente, a espectroscopia óptica ajudou a compreender a própria estrutura eletrônica dos átomos o que permitiu a formulação da mecânica quântica, teoria esta que nos permite entender fenômenos que ocorrem, em escala microscópica.
Em 1666, Isaac Newton observa que a luz branca ao passar pela fenda de um prisma é dispersada em feixes de cores em diferentes ângulos e que podem ser recombinadas em luz branca quando passadas através de um segundo prisma orientado de forma oposta. Chamou então as imagens coloridas de espectro do latim “spectrum” que quer dizer imagem, aparição ou fantasma.
Um espectro é um gráfico da intensidade da energia detectada versus o comprimento de onda (ou massa ou momento ou frequência, etc.). O experimento é análogo à análise das emissões luminosas de planetas (ou estrelas distantes) que são identificados em telescópios na Terra. É desta maneira que podemos estudar a composição química do sol (note que o elemento hélio foi descoberto no Sol antes que na Terra) e das estrelas. Existem estrelas especiais, classe A, que são magnéticas e ricas em európio. A existência de európio nessas estrelas foi detectada na Terra por meio de técnicas espectroscópicas. A Espectroscopia Astronômica é segundo Carl Sagan, uma técnica quase mágica.
A faixa de radiação de infravermelho foi descoberta por William Herschel em 1800 ao colocar termômetros após a cor vermelha do espectro visível. Um ano depois, Johann Ritter e William Wollaston, de forma independente, encontraram o espectro ultravioleta. Entre 1800 e 1803, Thomas Young demonstrou que a luz pode ser descrita como uma onda por meio do experimento de dupla fenda e calculou os comprimentos de onda para as sete cores de Newton em um intervalo de cerca de 400 a 700 nm. Em 1802, Wollaston encontrou linhas escuras no espectro solar. Joseph von Fraunhofer, um excelente instrumentista, fez uma descrição detalhada de cerca de 700 destas linhas escuras, marcando as mais proeminentes com letras a partir de "A" na extremidade vermelha do espectro solar.
Gustav Kirchoff e Robert Bunsen, em 1859 e 1860, explicaram a origem das linhas de Fraunhofer. Eles observaram que as linhas de emissão de diversos átomos quando aquecidos em um queimador coincidiam com as linhas escuras, e verificaram que as linhas D eram originárias do sódio e as linhas A e B do potássio, presentes na atmosfera solar. Kirchoff notou que os espectros de absorção/emissão eram característicos de cada elemento. Estas análises permitiram a descoberta de novos elementos, iniciando pelo césio e rubídio em 1860.
Atualmente existem equipamentos que são utilizados na espectroscopia, eles são os espectrômetros, dispositivos que nos permite detectar os espectros dos elementos. Existem vários tipos de espectrômetros, os mais simples, usados em laboratórios de física moderna nas universidades, possuem em sua estrutura basicamente uma rede de difração ou prisma e um colimador ou captador que capta a radiação eletromagnética.
Referências:
Optics and Spectroscopy . Nature187, 199 (1960). https://doi.org/10.1038/187199a0