Spektroskop (czyli uproszczony spektrometr) to urządzenie, które umożliwia obserwacje ciągłego widma odpowiadającego konkretnemu rodzajowi promieniowania.

Widmem określamy rozkład natężenia promieniowania w zależności od energii, częstotliwości bądź też długości fali promieniowania. Wyróżniamy zatem następujące rodzaje widm (w zależności od długości fali):

  • akustyczne,
  • promieniowania gamma (γ), beta (β) oraz alfa (α),
  • rentgenowskie,
  • ultrafioletowe (UV),
  • świetlne,
  • podczerwone,
  • mikrofalowe.

Widmo może nam dostarczyć wielu informacji na temat źródła promieniowania (mówimy wówczas o widmie emisyjnym), albo o ośrodku który promieniowanie przeniknęło (jest to tzw. widmo absorpcyjne). Badaniem widm zajmuje się dziedzina nauki zwana spektroskopią (lub też spektrometrią).

Spektrometr optyczny to przyrząd który służy do otrzymywania i do analizy widm promieniowania widzialnego. Jest to zakres promieniowania od bliskiej podczerwieni (odpowiada mu długość fali około 780 nm[1]) do ultrafioletu (o długości fali 380 nm). Najczęściej stosowane są w praktyce takie spektrometry optyczne, w których widmo powstaje w ten sposób, że światło (będące mieszaniną różnych barw) jest kierowane pod różnymi kątami w zależności od jego długości fali. Inny rodzaj spektrometrów wykorzystuje różnice w długościach dróg optycznych pomiędzy promieniami ugiętymi i interferującymi ze sobą - są to spektrometry z siatką dyfrakcyjną.

Ponadto spotykamy spektrometry optyczne typu fourierowskiego oraz filtracyjnego. Typowy spektrometr składa się z następujących elementów:

  • kolimatora,
  • obiektywu,
  • element dyspersyjny (może być nim pryzmat, siatka dyfrakcyjna itp.),
  • elementu rejestrującego widma - jest nim fotometr.

Widmo emisyjne to widmo promieniowania (może być wybranego tylko rodzaju) które emituje (wysyła) dany obiekt. Dla przypadku fal promieniowania elektromagnetycznego (obejmującego zakres długości fal od promieniowania gamma i promieniowania rentgenowskiego po mikrofale i fale radiowe) mikrofal po promieniowanie rentgenowskie i gamma) emitowanego przez pojedyncze cząstki (atomy, jądra) widmo emisyjne składa się z linii widmowych o konkretnych wartościach energii.

Takie widmo jest skutkiem występowania skwantowanych poziomów energii. Polega to na tym, że energia atomów i cząsteczek nie może przyjmować dowolnych wartości. Atomy mogą mieć tylko określone poziomy energetyczne. Emisja promieniowania polega na tym ,że atom (lub też cząsteczka) znajdująca się na wyższym poziomie energii przechodząc na niższy stan energetyczny oddaje - zgodnie z zasadą zachowania energii - tę energię w postaci promieniowania. W wyniku tych przejść nie rejestrujemy ciągłego widma energii (odpowiadałoby to przypadkowi gdy nie występowałby kwantowane poziomy energii), lecz widmo które określamy mianem dyskretnego, W ten sposób powstaje tzw. widmo liniowe, które niesie ze sobą informacje na temat składu chemicznego, a nawet izotopowego (dzieje się tak w przypadku widma emisji promieniowania gamma bądź alfa) danego źródła promieniowania. Można zatem powiedzieć, że widmo jest "odciskiem palców" konkretnej substancji. Wykorzystujemy to w analizie składu chemicznego oraz izotopowego substancji.

W niektórych obszarach widm emisyjnych, przy odpowiednio gęstym występowaniu linii, obserwujemy tzw. widma pasmowe, których struktura dostarcza nam informacji o budowie i ułożeniu cząstek. Jako przykład można podać widma emisyjne rejestrowane podczerwone dla różnych cząsteczek organicznych. Widma ciągłe obserwujemy gdy poziomy energetyczne zlewają się w szerokie pasma. Ma to miejsce dla przypadku promieniowania termicznego ciał stałych albo też gazu w odpowiednio wysokiej temperaturze i pod dość wysokim ciśnieniem. Jako przykład możemy podać widmo świecącej żarówki lub Słońca.

Widmo absorpcyjne powstaje podczas przenikania promieniowania przez ośrodek przeźroczysty dla danego rodzaju promieniowania. Dla fal elektromagnetycznych zachodzi rezonansowe pochłanianie promieniowania o energii odpowiadającej strukturze energetycznej atomów i cząsteczek które je absorbują. Natychmiast po absorpcji tego promieniowania zachodzi zjawisko jego emisji. Kierunek rozchodzenia się fali padającej w widmie absorpcyjnym nie jest zupełnie przypadkowy i obserwujemy w nim stosunkowo silne zaniki dla energii odpowiadającej danej substancji. Dzięki temu mamy możliwość badania składu chemicznego materii adsorbującej.

Spektrometr alfa jest przyrządem służącym do otrzymywania i analiz widm promieniowania alfa (α) konkretniej substancji.

Wyróżniamy następujące spektrometry alfa:

  • magnetyczne,
  • jonizacyjne w których wykorzystywana jest komora jonizacyjna,
  • spektrometry ciekłoscyntylacyjne, scyntylacyjne oraz półprzewodnikowe - te ostanie wykorzystują detektory zbudowane z materiałów półprzewodnikowych takich jak krzem; scyntylacyjne wykorzystują z kolei detektory zbudowane z siarczku cynku.

Promieniowania alfa charakteryzuje się stosunkowo niską przenikliwością, przez co musimy stosować urządzenia próżniowe oraz uzyskiwać (zazwyczaj metodami radiochemicznymi) cienkie źródła promieniotwórcze.

Spektrometr beta, przez analogie do opisanego powyżej spektrometru alfa, to przyrząd który służy do rejestracji widma promieniowania beta (β). Typowym spektrometr beta to spektrometr magnetyczny składający się z takich elementów jak komora próżniowa, silny elektromagnes, źródło elektronów, detektor oraz elektroniczny układu sterowania i rejestracji widma.

Zasada działania takiego spektrometru jest następująca: elektrony powstające podczas rozpadów cząstek β (zachodzą one w źródle promieniowania) przenikają przez szczelinę i poruszają się po spirali na zakrzywionym wskutek przyłożonego jednorodnego pola magnetycznego torze. Dana wartości indukcji pola magnetycznego powoduje, że do detektora trafiają tylko elektrony o ściśle określonej energii.

Widmo rejestrujemy dwojako: albo zmieniamy położenie detektora, albo zmieniamy indukcję pola magnetycznego. Dzięki temu rejestrujemy wielkość docierającego strumienia elektronów mających różne energie, czyli otrzymujemy widmo promieniowania β badanej substancji. W spektroskopii promieniowania beta wykorzystuje się także spektrometry ciekłoscyntylacyjne.

Spektrometr ciekłoscyntylacyjny (zwany również spektrometrem LSC) to jeden z rodzajów spektrometru scyntylacyjnego który służy zarówno do pomiarów widma promieniowania beta jak i alfa, rzadziej stosujemy je do promieniowania gamma. W spektrometrze scyntylacyjnym wykorzystywana jest próbka zawierającą radioizotop zmieszana wraz z ciekłym scyntylatorem. Widmo promieniowania tej próbki rejestruje się tu analogicznie jak w przypadku spektrometru gamma.

Zaawansowane spektrometry ciekłoscyntylacyjne posiadają wyspecjalizowany system elektroniczny dzięki któremu możliwe jest rozróżnienie sygnałów pochodzących od cząstek alfa i tych od cząstek beta. Dzięki temu mamy możliwość jednoczesnej rejestracji widm alfa i widm beta badanej próbki.

W spektrometrach ciekłoscyntylacyjnych wykonuje się niekiedy pomiary wykorzystujące tzw. efekt Czerenkowa - jest on wywoływany przez elektrony o wysokiej energii które powstają w niektórych rozpadach typu beta. Stosując tą technikę nie korzysta się z ciekłych scyntylatorów, lecz wykorzystuje się zwykłe, wodne roztwory badanej próbki.

Spektrometr gamma to jeden z rodzajów spektrometrów który służy do otrzymywania oraz analiz widma promieniowania gamma badanych substancji. Typowy składa się z takich elementów jak wielokanałowy analizator amplitudy (jak wskazuje jego nazwa służy on do analiz amplitudy fali), konwerter analogowo-cyfrowego, elektroniczny przedwzmacniacz i wzmacniacz, zasilacz wysokiego napięcia oraz detektor promieniowania gamma którym może być licznik scyntylacyjny (np. ze scyntylatorem opartym na jodku sodu) lub też detektor półprzewodnikowy (np. zbudowany z germanu lub krzemu).

Zasada rejestracji widma jest następująca: kwant (czyli najmniejsza część) promieniowania gamma przenika przez detektor jednocześnie wytwarzając w nim proporcjonalny energii pozostawionej w nim sygnał. Następnie sygnał ten (który jest w postaci impulsu elektrycznego) zostaje wzmocniony, jego amplituda jest zaś rejestrowana i analizowana. W ten oto sposób otrzymujemy widmo promieniowania gamma, które właściwie jest rejestrem zliczeń kwantów gamma. Kwanty te przenikające przez detektor w jednostce czasu mają energie należące do kolejnych, niewielkich przedziałów.

[1] 1 nm to 10-9 m