1. Licht en Straling

Spectraalanalyse

In het vorige hoofdstuk hebben we gezien dat het menselijk oog fotonen detecteert met behulp van drie verschillende receptoren, de S-, L- en M-kegeltjes. De L-kegeltjes kunnen bijvoorbeeld geen onderscheid maken tussen fotonen met energieën die overeenkomen met de golflengten 560 nm (geel) en 650 nm (rood), maar ze detecteren ze wel op dezelfde manier. Er zijn andere soorten kegeltjes nodig om te bepalen of het geel of rood licht is: de M kegeltjes detecteren 560 nm licht veel beter dan 650 nm licht, en de S kegeltjes detecteren geen van deze golflengten. De hersenen maken uiteindelijk onderscheid tussen geel en rood licht aan de hand van de telsnelheden van de kegeltjes. Dit geldt voor alle kleuren die we waarnemen. Deze kleuren worden daarom tot de fysiologische kleuren gerekend.

Hoe kunnen we de intensiteit van licht versus de golflengte meten als een continue curve? D.w.z. het optisch vermogen of het aantal fotonen bij elke golflengte van het licht? Hoe kunnen we zo'n fysisch spectrum verkrijgen? Dit is de uitdaging van spectrale analyse of spectroscopie. Een instrument dat wordt gebruikt om spectra te meten, wordt spectrograaf of spectrometer genoemd.

Straling wordt geabsorbeerd en verstrooid door materie. Absorptie en verstrooiing zijn afhankelijk van de stof en de golflengte. De kleuren die we waarnemen in de natuur en waarnemen met satellieten in de ruimte worden op deze manier geproduceerd. Het meten van fysische spectra maakt het mogelijk om gegevens te verkrijgen over de vegetatie op het land en op zee, om vervuilende stoffen in de atmosfeer op te sporen, om de temperatuur van het oceaanoppervlak te bepalen en om de ijsbedekking op de Noordpool in kaart te brengen, om er maar een paar te noemen.

Hoe splitst een spectrometer licht in kleuren? Hiervoor is natuurlijk een optische component nodig die op verschillende manieren op licht inwerkt, bijvoorbeeld door licht af te buigen in verschillende richtingen afhankelijk van de golflengte. Er zijn verschillende fysische effecten die dit mogelijk maken: absorptie, breking en interferentie van licht.

De kleuren van de aarde bekijken door een raam van het internationale ruimtestation ISS.
Bron: NASA

Optische componenten die op dergelijke effecten zijn gebaseerd, worden golflengteselectief genoemd. Op de volgende pagina's worden drie methoden voor golflengteselectie gepresenteerd:

• Optische filters kunnen worden gebruikt om smalle spectrale banden te selecteren door straling door deze banden te zenden en de uitgaande straling wordt geabsorbeerd of gereflecteerd.
• De snelheid van licht in transparante media (zoals glas of water) hangt af van de golflengte, ook wel dispersie van licht genoemd. Dit resulteert in een golflengte-afhankelijke brekingsindex en wordt praktisch gebruikt met prismaspectrometers.
• De diffractie en interferentie van licht is afhankelijk van de golflengte. Dit maakt het mogelijk om optische roosters te gebruiken als golflengte-afhankelijke optische elementen in roosterspectrometers.