Quang độ: Điều gì là quang độ?
Quang phổ học là khoa học đo lường ánh sáng theo độ sáng mà mắt người cảm nhận được. Nó khác với quang bức xạ học, đo năng lượng bức xạ (bao gồm cả ánh sáng) theo công suất tuyệt đối. Quang phổ học chỉ xem xét dải bước sóng có thể kích thích mắt người.
Mắt người có thể phát hiện bức xạ có bước sóng từ 370 nm đến 780 nm. Dải này được gọi là quang phổ nhìn thấy hoặc đơn giản là ánh sáng. Bức xạ có bước sóng ngắn hơn ánh sáng được gọi là bức xạ cực tím, và bức xạ có bước sóng dài hơn ánh sáng được gọi là bức xạ hồng ngoại. Quang phổ học không bao gồm bức xạ cực tím hay hồng ngoại.
Quang phổ học dựa trên phản ứng của mắt đối với ánh sáng theo hàm của bước sóng. Mắt không nhạy cảm đều đặn với tất cả các bước sóng của ánh sáng. Nó nhạy cảm hơn với ánh sáng xanh lá cây và ít nhạy cảm hơn với ánh sáng đỏ và tím. Mắt cũng thích nghi với các mức độ sáng khác nhau. Nó có hai chế độ thị giác: thị giác quang và thị giác tối.
Thị giác quang là phản ứng của mắt ở mức độ sáng cao, như ban ngày hoặc dưới ánh sáng nhân tạo. Thị giác quang có thể phân biệt màu sắc và chi tiết. Thị giác tối là phản ứng của mắt ở mức độ sáng thấp, như ban đêm hoặc dưới ánh sao. Thị giác tối không phân biệt được màu sắc và có độ phân giải thấp. Có một vùng chuyển tiếp giữa thị giác quang và thị giác tối được gọi là thị giác bán tối.
Quang phổ học sử dụng các mô hình tiêu chuẩn về phản ứng của mắt đối với ánh sáng ở các bước sóng và mức độ sáng khác nhau. Các mô hình này được gọi là hàm độ sáng. Chúng được sử dụng để cân nặng công suất bức xạ tại mỗi bước sóng bằng một hệ số đại diện cho độ nhạy của mắt tại bước sóng đó. Hàm độ sáng thường được sử dụng nhất là hàm độ sáng quang, mô phỏng phản ứng của mắt trong điều kiện quang. Các hàm độ sáng khác bao gồm hàm độ sáng tối và hàm độ sáng bán tối.
Quang phổ học có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khoa học, kỹ thuật và nghệ thuật. Nó được sử dụng để đo lường và đặc trưng độ sáng, màu sắc và chất lượng của nguồn sáng, vật liệu và đối tượng. Nó cũng được sử dụng để nghiên cứu tác động của ánh sáng lên sức khỏe, hành vi và nhận thức của con người.
Trong bài viết này, chúng ta sẽ khám phá một số loại, nguyên lý, ứng dụng và cách hoạt động của quang phổ học chi tiết hơn. Chúng ta cũng sẽ thảo luận về một số dụng cụ và đơn vị được sử dụng cho các phép đo quang phổ.
Quang phổ sợi quang là gì?
Quang phổ sợi quang là kỹ thuật được sử dụng trong thần kinh học để ghi lại hoạt động thần kinh ở động vật sống. Nó sử dụng sợi quang để truyền ánh sáng kích thích đến các nơron biểu hiện các chỉ báo huỳnh quang và thu thập huỳnh quang phát ra từ chúng.
Các chỉ báo huỳnh quang là các phân tử thay đổi tính chất huỳnh quang của chúng khi có sự thay đổi trong các thông số sinh học nhất định, như nồng độ canxi, điện áp, chất dẫn truyền thần kinh, v.v. Bằng cách sử dụng các chỉ báo huỳnh quang được mã hóa di truyền (GEFIs), như GCaMPs, có thể nhắm mục tiêu các loại nơron hoặc khu vực não cụ thể để ghi hình quang học.
Quang phổ sợi quang cho phép theo dõi hoạt động trung bình của các quần thể lớn nơron theo thời gian. Nó có thể được sử dụng để liên kết hoạt động thần kinh với các sự kiện hành vi hoặc kích thích ở động vật tự do di chuyển. Quang phổ sợi quang có ưu điểm so với các kỹ thuật ghi hình quang học khác, như vi quang hai photon hoặc hình ảnh canxi, về mặt đơn giản, hiệu quả chi phí, tính di động và khả năng mở rộng.
Tuy nhiên, quang phổ sợi quang cũng có một số hạn chế, như độ phân giải không gian thấp, tín hiệu bị nhiễm từ huỳnh quang nền hoặc lỗi do di chuyển, và tổn thương hoặc viêm do cấy ghép sợi quang.
Quang phổ ngọn lửa là gì?
Quang phổ ngọn lửa là kỹ thuật được sử dụng để phân tích hóa học nhằm xác định nồng độ của một số ion kim loại trong mẫu. Nó còn được biết đến với tên gọi quang phổ phát xạ ngọn lửa hoặc quang phổ phát xạ nguyên tử ngọn lửa.
Quang phổ ngọn lửa hoạt động theo nguyên tắc rằng một số ion kim loại phát ra các bước sóng ánh sáng đặc trưng khi được làm nóng trong ngọn lửa. Cường độ ánh sáng phát ra tỷ lệ thuận với nồng độ của ion kim loại trong mẫu.
Quang phổ ngọn lửa chủ yếu được sử dụng cho các kim loại kiềm (nhóm 1) và kim loại kiềm thổ (nhóm 2), như natri, kali, canxi, lithi, v.v. Các kim loại này có năng lượng ion hóa thấp và có thể dễ dàng kích thích bởi nhiệt năng từ ngọn lửa.
Để thực hiện quang phổ ngọn lửa, một dung dịch mẫu chứa ion kim loại được phun vào ngọn lửa (thông thường là ngọn lửa acetylen-khí). Ngọn lửa bay hơi và nguyên tố hóa mẫu thành các thành phần cấu tạo. Một số nguyên tử này sau đó được kích thích lên mức năng lượng cao hơn bằng cách hấp thụ nhiệt năng từ ngọn lửa. Các nguyên tử bị kích thích cuối cùng trở lại trạng thái cơ bản bằng cách phát ra photon ánh sáng với các bước sóng cụ thể tương ứng với quá trình chuyển năng lượng của chúng.
Ánh sáng phát ra sau đó được thu bởi hệ thống thấu kính và đi qua monochromator (một thiết bị chọn một dải bước sóng hẹp). Monochromator chỉ cho phép bước sóng ánh sáng mong muốn tương ứng với ion kim loại cần quan tâm đạt đến bộ phát hiện (thường là ống phóng điện hoặc photodiode). Bộ phát hiện chuyển đổi tín hiệu ánh sáng thành tín hiệu điện có thể được đo bằng đồng hồ hoặc máy ghi.
Nồng độ của ion kim loại trong mẫu có thể được tính toán bằng cách so sánh cường độ ánh sáng phát ra với đường chuẩn được lấy từ các nồng độ đã biết của cùng ion kim loại.
Quang phổ phản xạ là gì?
Phản xạ quang phổ là kỹ thuật được sử dụng để đo màu sắc hoặc phản xạ của bề mặt hoặc đối tượng. Nó hoạt động theo nguyên tắc rằng các bề mặt khác nhau phản xạ lượng và bước sóng ánh sáng khác nhau tùy thuộc vào đặc điểm vật lý và hóa học của chúng.
Quang phổ phản xạ sử dụng nguồn sáng (thường là ánh sáng trắng) để chiếu sáng bề mặt hoặc đối tượng ở một góc nhất định. Ánh sáng phản xạ từ bề mặt hoặc đối tượng sau đó được đo bằng bộ phát hiện (thường là spectrophotometer hoặc colorimeter) ở một góc khác.
Bộ phát hiện phân tích phổ hoặc cường độ của ánh sáng phản xạ ở các bước sóng khác nhau và so sánh nó với tiêu chuẩn tham chiếu (thường là bề mặt trắng). Màu sắc hoặc đặc tính phản xạ của bề mặt hoặc đối tượng có thể được biểu diễn bằng các tham số khác nhau, như màu sắc (bước sóng chiếm ưu thế), độ bão hòa (độ tinh khiết), độ sáng (độ sáng), tọa độ chromaticity (x, y, z), chỉ số màu (CIE Lab*), v.v.
Quang phổ phản xạ có thể được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau, như kiểm soát chất lượng, so sánh màu sắc, nhận dạng màu sắc, giao tiếp màu sắc, v.v. Nó có thể được áp dụng cho nhiều loại vật liệu và đối tượng, như sơn, vải, nhựa, kim loại và gốm sứ.
Các đại lượng và đơn vị quang phổ là gì?
Các đại lượng quang phổ được suy ra từ các đại lượng bức xạ bằng cách áp dụng hàm độ sáng làm hệ số trọng số. Hàm độ sáng đại diện cho phản ứng tương đối của mắt người đối với các bước sóng ánh sáng khác nhau. Hàm độ sáng thường được sử dụng nhất là hàm độ sáng quang, mô phỏng phản ứng của mắt trong điều kiện sáng. Các hàm độ sáng khác bao gồm hàm độ sáng tối, mô phỏng phản ứng của mắt trong điều kiện tối, và hàm độ sáng bán tối, mô phỏng phản ứng của mắt trong điều kiện trung gian.
Các dụng cụ và phương pháp quang phổ là gì?
Các dụng cụ quang phổ là các thiết bị đo các đại lượng quang phổ bằng các phương pháp và nguyên tắc khác nhau. Một số dụng cụ và phương pháp quang phổ phổ biến là:
Photometers: Photometers là các thiết bị đo độ sáng tương đối của nguồn sáng hoặc đối tượng bằng cách so sánh chúng với tiêu chuẩn tham chiếu. Photometers có thể được phân loại thành các loại khác nhau dựa trên thiết kế và ứng dụng, như photometers trực quan, photoelectric photometers, filter photometers, spectrophotometers, v.v.
Colorimeters: Colorimeters là các thiết bị đo màu sắc của nguồn sáng hoặc đối tượng bằng cách phân tích thành phần phổ của chúng. Colorimeters có thể được phân loại thành các loại khác nhau dựa trên thiết kế và ứng dụng, như tristimulus colorimeters, chromameters, spectroradiometers, v.v.
Integrating spheres: Integrating spheres là các thiết bị đo tổng lưu lượng sáng của nguồn sáng hoặc đối tượng bằng cách bao bọc chúng trong một hốc cầu với bề mặt bên trong phản xạ cao. Integrating spheres có thể được sử dụng cho nhiều mục đích, như hiệu chuẩn nguồn sáng, đo phản xạ hoặc transmittance của vật liệu, đo phân bố góc của nguồn sáng, v.v.
Goniophotometers: Goniophotometers là các thiết bị đo phân bố góc của cường độ sáng hoặc độ sáng của nguồn sáng hoặc đối tượng bằng cách xoay chúng quanh một hoặc nhiều trục. Goniophotometers có thể được sử dụng cho nhiều mục đích, như đặc trưng nguồn sáng, đo các tính chất cơ học của vật liệu, đo tỷ lệ chói hoặc tương phản của màn hình, v.v.
