L'espectroscopi

1. INTRODUCCIÓ

L’espectroscopi és un aparell imprescindible pels gemmòlegs, que ens permet observar els espectres d’absorció de les gemmes, és a dir, ens permet examinar quines parts de la llum blanca són absorbides per una gemma.

Els materials poden absorbir parts de l’espectre electromagnètic de la llum que incideix sobre ells. Les parts absorbides que pertanyen al rang del visible de l’espectre electromagnètic influiran en el color del material.

La llum blanca està constituïda pel conjunt de les diferents longituds d’ona de l’espectre visible des de 400 fins a 750 nm.

Espectre electromagnètic de la llum.

El color de les gemmes és el resultat de la suma de totes les longituds d’ona que han passat a través de la gemma i no han estat absorbides. Si fem que aquest feix de llum que ha travessat la gemma passi a través d’un prisma o una xarxa de difracció, el feix es dispersarà o es difractarà i podrem apreciar l’espectre visible a excepció d’aquelles bandes que han estat absorbides, que les veurem com a línies i/o bandes fosques. Per tant, quan observem una gemma a través de l’espectroscopi, veurem l’espectre visible amb les parts absorbides en forma de línies i o bandes fosques.

2. TIPUS D'ESPECTRES

Espectre d’absorció:

L’espectroscopi ens permet observar l’espectre d’absorció de les gemmes: ens permet observar unes línies i/o bandes fosques que es corresponen amb les longitud d’ona absorbides per determinats elements químics que formen part de la composició de la gemma que estem analitzant.

Espectre d’absorció del robí (espectre degut al crom).

Espectre d’emissió:

Tots els cossos emeten energia a certes temperatures. L’espectre de la radiació energètica emesa és el seu espectre d’emissió.

Cadascun dels elements químics té el seu propi espectre d’emissió. Així, el sodi té el seu espectre d’emissió característic, a l’igual que l’hidrogen, el calci, etc.

Utilitzem l’espectre d’emissió de la llum del fluorescent (làmpada de descàrrega) per calibrar l’espectroscopi. Per fer-ho tanquem del tot la reixa d’obertura i l’anem obrint lleugerament fins a observar dues línies brillants. Aquestes dues línies brillants són característiques de l’espectre d’emissió dels gasos que formen part del fluorescent.

Doblet al groc característic de l’espectre d’emissió del fluorescent.

Espectre de Fraunhofer:

L’espectre de Fraunhofer és l’espectre d’absorció de la llum solar.

Si analitzem mitjançant un espectroscopi la llum que ens arriba del Sol, observarem que en l’espectre apareixen certes línies negres d’absorció. Això ens indica que la llum del sol ha travessat gasos que han absorbit les longituds d’ona que a cadascun d’ells li és característica. Alguns d’aquests elements sabem que no poden existir a l’atmosfera del nostre planeta, pel que hem de concloure que pertanyen a la atmosfera solar.

És important no observar mai directament al sol amb l’espectroscopi, doncs podria originar danys a la vista.

Espectre de Fraunhofer o d’absorció de la llum solar.

3. DESCRIPCIÓ DE L’ESPECTROSCOPI. PARTS BÀSIQUES

Parts bàsiques de l’espectroscopi:

Tub de suport
Reixa d’obertura: graduable o fixa
Sistema òptic
Ocular

Algunes variants de l’espectroscopi porten una escala graduada amb els valors de les longituds d’ona.

Esquema de les parts bàsiques de l’espectroscopi

4. TIPUS D'ESPECTROSCOPI

Hi ha dos tipus d’espectroscopis en funció del sistema òptic utilitzat: l’espectroscopi de xarxa de difracció (que es basa en la difracció de la llum) i l’espectroscopi de prisma (que es basa en la dispersió de la llum).

1. Espectroscopi de xarxa de difracció:

L’espectroscopi de xarxa de difracció es basa en el principi de la difracció de la llum blanca.

La difracció de la llum blanca consisteix en el desdoblament de les longituds d’ona al topar amb un obstacle.

Difracció de la llum blanca

La llum entra a través de la reixa d’obertura i és difractada per una xarxa de difracció. Això produeix una imatge lineal de l’espectre amb una visió generalment més gran de la part vermella de l’espectre que la d’un espectroscopi de prisma.

Aquest tipus d’espectroscopi no té escala incorporada.

Esquema de l’espectroscopi de difracció

Espectre de xarxa de difracció

Espectre de xarxa de difracció amb escala en nanòmetres

2. Espectroscopi de prisma:

L’espectroscopi de prisma es basa en la dispersió de la llum blanca.

La dispersió de la llum blanca consisteix en la separació d’un feix de llum blanca en els seus components una vegada la llum passa d’un medi a un altre, al que anomenem medi de dispersió.

Dispersió de la llum blanca.

La llum entra a través de la reixa d’obertura (alguns models permeten graduar la mida de l’obertura) i es dispersa a través d’una sèrie de prismes.

Degut a que els espectroscopis de prisma es basen en la dispersió, l’àrea blava de l’espectre està més ampliada i la part vermella està més comprimida que a l’espectroscopi de xarxa de difracció.

Esquema de l’espectroscopi de prisma

Espectre de prisma

Espectre de prisma amb escala en nanòmetres.

Diferències entre l’espectroscopi de xarxa de difracció i l’espectroscopi de prisma:

Quan utilitzem un espectroscopi de xarxa de difracció, obtenim un espectre amb tots els intervals dels diferents colors igualment espaiats.

En el cas d’utilitzar un espectroscopi de prisma, els intervals dels diferents colors de l’espectre no estan igualment espaiats, ja que degut a la dispersió que pateix la llum al travessar els prismes fa que la zona del vermell quedi més comprimida i que la zona del blau es vegi més ampliada.

5. CALIBRACIÓ DE L’ESPECTROSCOPI

El primer que haurem de fer abans d’utilitzar l’espectroscopi serà calibrar-lo.

Per calibrar-lo utilitzem l’espectre d’emissió dels gasos d’un làmpada de descàrrega (fluorescent).

També podem calibrar-lo observant l’espectre d’absorció de la llum solar. Per observar aquest espectre només cal mirar a través de l’espectroscopi la llum que ens arriba del cel, però és important que mai mirem directament al sol, perquè ens podria perjudicar la vista.

Els passos que hem de seguir per calibrar l’espectroscopi són:

Tancar tota la reixa d’obertura de l’espectroscopi.
Col·locar l’aparell en posició adequada per poder veure la llum que utilitzarem per calibrar-lo.
Anar obrint lleugerament la reixa d’obertura fins a observar el doblet característic de l’espectre d’emissió del fluorescent, o bé fins a observar les línies d’absorció de la llum solar en cas de que utilitzem la llum del sol.
Desplaçar l’ocular per ajustar la nitidesa de la imatge a la vista.

6. CARACTERÍSTIQUES DE LA GEMMA A MESURAR

Les gemmes que analitzem amb l’espectroscopi poden estar muntades o sense muntar.

Podem observar l’espectre o bé per reflexió, que és el mètode d’observació més habitual i s’utilitza en gemmes facetades o en gemmes tallades en caboixó, o bé per transmissió, que s’utilitza en material en brut.

7. MÈTODE D’OBSERVACIÓ PER REFLEXIÓ

El mètode d’observació per reflexió és el mètode d’observació més habitual en gemmologia i s’utilitza per observar l’espectre de gemmes facetades o tallades en caboixó sense muntar.

Calibrem l’espectroscopi tal com s’explica en apartats anteriors.
Posem la mostra que volem analitzar sobre una superfície negra i mate.
Col·loquem un focus de llum puntual (làmpada amb lent convergent o una fibra òptica) a un costat de la mostra, de manera que la llum entri dins la mostra amb un angle entre 30 i 60º. El focus de llum puntual ha d’estar pràcticament tocant la mostra.
Col·loquem l’espectroscopi a l’altre costat de la mostra amb un angle semblant al de la llum, de manera que la llum entrarà dins de la mostra i es reflectirà cap a l’espectroscopi. L’espectroscopi també ha d’estar quasi a tocar de la gemma per tal de recollir el feix de llum reflectida i evitar la llum procedent de les reflexions superficials que no hagin travessat la gemma.

Mètode d’observació per reflexió

8. MÈTODE D’OBSERVACIÓ PER TRANSMISSIÓ

El mètode d’observació per transmissió s’utilitza per observar l’espectre de mostres en brut o bé gemmes muntades en una joia.

Calibrem l’espectroscopi tal com s’explica en apartats anteriors.
Recolzem la mostra sobre un suport (per exemple, una cartolina negra amb un forat al centre, o una massilla col·locada sobre la fibra òptica).
Per la part inferior de la mostra fem incidir la llum procedent d’un focus de llum puntual (per exemple, una fibra òptica).
Mirem des de dalt, col·locant l’espectroscopi en posició vertical.

Mètode d’observació per transmissió

9. COM UTILITZAR CORRECTAMENT L’ESPECTROSCOPI?

Ajusta la intensitat de la llum fins a trobar la més adequada per l’observació de l’espectre.

Ajusta la distància entre l’espectroscopi i la gemma fins que vegis bé l’espectre.

Procura mantenir l’espectroscopi ben net i lliure de pols. La pols pot causar línies horitzontals sobre el fons de l’espectre.

No deixis que la gemma s’escalfi massa. Si la gemma ha estat molta estona a tocar de la llum i s’escalfa, l’espectre serà més difícil de veure.

Evita els cops per no afectar el tren de prismes.

10. AVANTATGES I LIMITACIONS DE L’ESPECTROSCOPI

Avantatges:

L’espectroscopi és un aparell fàcilment transportable i de fàcil calibració que ens proporciona una informació útil per la identificació d’algunes de les gemmes més habituals.

Limitacions:

Les limitacions de l’aparell són les degudes a la visió de l’espectre: en els extrems de l’espectre visible costen d’apreciar les línies d’absorció (sobretot a la zona del blau – violeta). Si la il·luminació no és l’adequada o bé les línies d’absorció són molt fines també serà difícil l’observació de l’espectre.

11. ELS ESPECTRES MÉS CARACTERÍSTICS EN GEMMOLOGIA

Diamant groc: espectre degut a centres de color