Optisk spektroskopi är ett sätt att studera egenskaperna hos fysiska föremål baserat på att mäta hur ett föremål emitterar och interagerar med ljus. Den kan användas för att mäta attribut som ett objekts kemiska sammansättning, temperatur och hastighet. Det involverar synligt, ultraviolett eller infrarött ljus, ensamt eller i kombination, och är en del av en större grupp av spektroskopiska tekniker som kallas elektromagnetisk spektroskopi. Optisk spektroskopi är en viktig teknik inom moderna vetenskapliga områden som kemi och astronomi.
Ett objekt blir synligt genom att sända ut eller reflektera fotoner, och våglängderna för dessa fotoner beror på objektets sammansättning, tillsammans med andra attribut som temperatur. Det mänskliga ögat uppfattar närvaron och frånvaron av olika våglängder som olika färger. Till exempel uppfattas fotoner med en våglängd på 620 till 750 nanometer som röda, och därför ser ett föremål som i första hand sänder ut eller reflekterar fotoner i det området rött ut. Med hjälp av en enhet som kallas en spektrometer kan ljus analyseras med mycket större precision. Denna exakta mätning – i kombination med en förståelse för ljusets olika egenskaper som olika ämnen producerar, reflekterar eller absorberar under olika förhållanden – är grunden för optisk spektroskopi.
Olika kemiska grundämnen och föreningar varierar i hur de emitterar eller interagerar med fotoner på grund av kvantmekaniska skillnader i atomerna och molekylerna som utgör dem. Ljuset som mäts av en spektrometer efter att ljuset har reflekterats från, passerat genom eller emitterats av föremålet som studeras har vad som kallas spektrallinjer. Dessa linjer är skarpa diskontinuiteter av ljus eller mörker i spektrumet som indikerar ovanligt höga eller ovanligt låga antal fotoner med speciella våglängder. Olika ämnen producerar distinkta spektrallinjer som kan användas för att identifiera dem. Dessa spektrallinjer påverkas också av faktorer som objektets temperatur och hastighet, så spektroskopi kan också användas för att mäta även dessa. Förutom våglängd kan andra egenskaper hos ljuset, såsom dess intensitet, också ge användbar information.
Optisk spektroskopi kan göras på flera olika sätt, beroende på vad som studeras. Individuella spektrometrar är specialiserade enheter som fokuserar på exakt analys av specifika, smala delar av det elektromagnetiska spektrumet. De finns därför i en mängd olika typer för olika applikationer.
En stor typ av optisk spektroskopi, som kallas absorptionsspektroskopi, bygger på att identifiera vilka våglängder av ljus ett ämne absorberar genom att mäta de fotoner som det tillåter att passera igenom. Ljuset kan produceras specifikt för detta ändamål med utrustning som lampor eller lasrar eller kan komma från en naturlig källa, som stjärnljus. Det används oftast med gaser som är tillräckligt diffusa för att interagera med ljus samtidigt som det låter det passera igenom. Absorptionsspektroskopi är användbar för att identifiera kemikalier och kan användas för att skilja grundämnen eller föreningar i en blandning.
Denna metod är också oerhört viktig inom modern astronomi och används ofta för att studera himlaobjekts temperatur och kemiska sammansättning. Astronomisk spektroskopi mäter också hastigheten för avlägsna föremål genom att dra fördel av Dopplereffekten. Ljusvågor från ett objekt som rör sig mot observatören verkar ha högre frekvenser och därmed lägre våglängder än ljusvågor från ett objekt i vila i förhållande till observatören, medan vågorna från ett objekt som rör sig bort verkar ha lägre frekvenser. Dessa fenomen kallas blåförskjutning respektive rödförskjutning, eftersom en höjning av frekvensen för en våg av synligt ljus flyttar den mot den blå/violetta änden av spektrumet, medan en sänkning av frekvensen flyttar den mot rött.
En annan viktig form av optisk spektroskopi kallas emissionsspektroskopi. När atomer eller molekyler exciteras av en extern energikälla som ljus eller värme, ökar de tillfälligt i energinivå innan de faller tillbaka till sitt grundtillstånd. När de exciterade partiklarna återgår till sitt grundtillstånd frigör de överskottsenergin i form av fotoner. Liksom fallet är med absorption avger olika ämnen fotoner med olika våglängder som sedan kan mätas och analyseras. I en vanlig form av den här tekniken, som kallas fluorescensspektroskopi, får personen som analyseras energi med ljus, vanligtvis ultraviolett ljus. I atomär emissionsspektroskopi, eld, elektricitet eller plasma används.
Fluorescensspektroskopi används ofta inom biologi och medicin, eftersom det är mindre skadligt för biologiska material än andra metoder och eftersom vissa organiska molekyler är naturligt fluorescerande. Atomabsorptionsspektroskopi används i kemisk analys och är särskilt effektiv för att detektera metaller. Olika typer av atomabsorptionsspektroskopi används för ändamål som att identifiera värdefulla mineraler i malmer, analysera bevis från brottsplatser och upprätthålla kvalitetskontroll inom metallurgi och industri.