分光法

分光法は、電磁スペクトルを測定し、解釈する研究分野です。^{[1] [2]}より狭い文脈では、分光法は可視光から電磁スペクトルのすべての帯域に一般化された色の正確な研究です。

分光法は、主に電磁スペクトルにおいて、天文学、化学、材料科学、物理学の分野における基本的な探究ツールであり、原子、分子、マクロのスケールで、天文学的距離を超えて物質の組成、物理的構造、電子構造を調査することを可能にします。

歴史的に、分光法はプリズムによって分散された可視光の気相物質による吸収の波長依存性の研究として始まりました。分光法の現在の応用には、組織分析や医療画像処理の分野における生物医学分光法が含まれます。物質波と音波も放射エネルギーの形態と見なすことができ、最近では重力波がレーザー干渉計重力波観測所（LIGO）の文脈でスペクトルシグネチャと関連付けられています。^[3]

分光法は、物質の構造や特性に関する情報を得るために、分光装置やその他の技術によって測定される波長または周波数の関数としての電磁放射のスペクトルを扱う科学の一分野です。 ^[4]スペクトル測定装置は、分光計、分光光度計、分光写真器、またはスペクトル分析装置と呼ばれます。研究室での分光分析のほとんどは、分析するサンプルから始まり、次に光スペクトルの任意の範囲から光源が選択され、次に光がサンプルを通過して分散アレイ（回折格子装置）に到達し、フォトダイオードによって捕捉されます。天文学的な目的では、望遠鏡に光分散装置が装備されていなければなりません。この基本的なセットアップには、さまざまなバージョンが採用されています。

分光法は、アイザック・ニュートンがプリズムで光を分割したことから始まりました。これは、現代光学の発展における重要な瞬間でした。^{[5]したがって、もともとは}色と呼ばれる可視光の研究でしたが、後にジェームズ・クラーク・マクスウェルの研究により、電磁スペクトル全体が含まれるようになりました。^[6]色は分光法に関係していますが、特定の電磁波の吸収と反射を伴う元素または物体の色と同じではありません。これは、私たちの目に物体に色の感覚を与えるものです。むしろ、分光法は、プリズム、回折格子、または同様の機器によって光を分割し、異なるタイプの元素ごとに固有の「スペクトル」と呼ばれる特定の離散的な線パターンを発します。ほとんどの元素は、スペクトルを検査できるように最初に気相に入れられますが、今日では他の方法をさまざまな相に使用できます。プリズムのような機器によって回折された各元素は、その元素が冷却されているか加熱されているかに応じて、吸収スペクトルまたは発光スペクトルのいずれかを表示します。^[7]

最近まで、すべての分光法は線スペクトルの研究を含んでおり、ほとんどの分光法は現在でもそうです。^[8]振動分光法はスペクトルを研究する分光法の分野です。^[9]しかし、分光法の最新の開発により、分散技術が不要になる場合があります。生化学分光法では、吸収と光散乱技術によって生物組織に関する情報を収集できます。光散乱分光法は、弾性散乱を調べることで組織構造を決定する反射分光法の一種です。^[10]このような場合、回折または分散メカニズムとして機能するのは組織です。

分光学的研究は量子力学の発展の中心であった。なぜなら、最初の有用な原子モデルは水素のスペクトルを記述したからである。これにはボーア模型、シュレーディンガー方程式、行列力学などがあり、これらはすべて水素のスペクトル線を生成できるため、離散的な水素スペクトルに一致する離散的な量子ジャンプの基礎を提供している。また、マックス・プランクの黒体放射の説明には分光学が関係していた。なぜなら、彼は光度計を使用した光の波長を黒体の温度と比較していたからである。^[11]原子と分子は固有のスペクトルを持っているため、分光学は物理化学と分析化学で使用されている。その結果、これらのスペクトルを使用して、原子と分子に関する情報を検出、識別、定量化することができる。分光学は、地球上の天文学やリモートセンシングでも使用されている。ほとんどの研究用望遠鏡には分光器がある。測定されたスペクトルは、天体の化学組成と物理的特性（温度、恒星の元素密度、速度、ブラックホールなど）を決定するために使用されます。^[12]分光法の重要な用途は生化学です。分子サンプルを分析すると、種の識別とエネルギー含有量がわかります。^[13]

分光法の根底にある前提は、光は異なる波長で構成され、各波長は異なる周波数に対応するということです。分光法の重要性は、周期表のすべての元素が、その光が回折したときに電磁スペクトルの同じ部分に一貫して現れる、放出または吸収する光の周波数によって記述される独自の光スペクトルを持っているという事実を中心にしています。これにより、原子を含むものすべてを対象とした研究分野全体が開かれました。分光法は、すべての物質の原子特性を理解するための鍵です。このように、分光法は、まだ発見されていない多くの新しい科学のサブフィールドを開きました。各原子元素が独自のスペクトルシグネチャを持っているという考えにより、分光法は、それぞれ異なる分光法手順によって達成される特定の目標を持つ幅広い分野で使用できるようになりました。国立標準技術研究所は、正確な測定値で継続的に更新される公開原子スペクトルデータベースを維持しています。^[14]

分光法の分野が広がったのは、赤外線から紫外線まで、電磁スペクトルのどの部分でもサンプルを分析できるようになり、科学者に同じサンプルのさまざまな特性を伝えることができるようになったためです。たとえば化学分析では、最も一般的なタイプの分光法には、原子分光法、赤外線分光法、紫外線および可視分光法、ラマン分光法、核磁気共鳴があります。^{[15]核磁気共鳴 (NMR) では、周波数は}共鳴とそれに対応する共鳴周波数に類似しているという理論が背景にあります。周波数による共鳴は、ガリレオによって有名に指摘された運動周波数を持つ振り子などの機械システムで初めて特徴付けられました。^[16]

分光法は非常に幅広い分野であるため、多くのサブ分野が存在し、それぞれに特定の分光技術の多数の実装があります。さまざまな実装と技術は、いくつかの方法で分類できます。

分光法の種類は、相互作用に関与する放射エネルギーの種類によって区別されます。多くのアプリケーションでは、スペクトルはこのエネルギーの強度または周波数の変化を測定することによって決定されます。研究対象となる放射エネルギーの種類は次のとおりです。

• 電磁放射は分光学的研究に使用された最初のエネルギー源でした。電磁放射を使用する技術は、通常、スペクトルの波長領域によって分類され、マイクロ波、テラヘルツ、赤外線、近赤外線、紫外可視、X 線、ガンマ分光法が含まれます。
• 粒子はド・ブロイ波を持っているため、放射エネルギーの源にもなり得ます。電子分光法と中性子分光法の両方が一般的に使用されています。粒子の場合、その運動エネルギーによって波長が決まります。
• 音響分光法には放射圧力波が関与します。
• 動的機械分析は、音波に似た放射エネルギーを固体材料に与えるために使用できます。

分光法の種類は、エネルギーと物質の相互作用の性質によっても区別できます。これらの相互作用には以下が含まれます。^[2]

• 吸収分光法: 吸収は、放射源からのエネルギーが物質に吸収されるときに発生します。吸収は、物質を透過するエネルギーの割合を測定することによって決定されることが多く、吸収によって透過する部分が減少します。
• 発光分光法：発光は物質から放射エネ​​ルギーが放出されることを意味します。物質の黒体スペクトルは、その温度によって決まる自然放出スペクトルです。この特性は、大気放射干渉計などの機器によって赤外線で測定できます。^{[18]発光は、}炎、火花、電気アーク、蛍光の場合は電磁放射など、他のエネルギー源によっても誘発されます。
• 弾性散乱と反射分光法は、入射放射線が物質によってどのように反射または散乱されるかを決定します。結晶学は、X 線や電子などの高エネルギー放射線の散乱を利用して、タンパク質や固体結晶内の原子の配置を調べます。
• インピーダンス分光法: インピーダンスとは、媒体がエネルギーの伝達を妨げたり遅くしたりする能力です。光学用途では、これは屈折率によって特徴付けられます。
• 非弾性散乱現象では、放射線と散乱された放射線の波長をシフトさせる物質との間でエネルギーが交換されます。これには、ラマン散乱とコンプトン散乱が含まれます。
• コヒーレント分光法または共鳴分光法は、放射エネルギーが放射場によって維持されるコヒーレント相互作用で物質の 2 つの量子状態を結合する技術です。コヒーレンスは、粒子衝突やエネルギー移動などの他の相互作用によって破壊される可能性があるため、多くの場合、高強度の放射を維持する必要があります。核磁気共鳴 (NMR) 分光法は広く使用されている共鳴法であり、赤外線および可視スペクトル領域では超高速レーザー分光法も可能です。
• 核分光法は、特定の核の特性を利用して、主に凝縮物質、液体または凍結液体中の分子、生体分子などの物質の局所構造を調べる方法です。
• 量子論理分光法は、イオントラップで使用される一般的な技術であり、レーザー冷却、状態操作、および検出を妨げる内部構造を持つイオンの精密分光法を可能にします。量子論理演算により、制御可能なイオンは、複雑な電子構造または未知の電子構造を持つ共トラップされたイオンと情報を交換できます。

分光学的研究は、放射エネルギーが特定の種類の物質と相互作用するように設計されています。

原子分光法は分光法の最初の応用でした。原子吸光分光法と原子発光分光法は可視光と紫外線を利用します。これらの吸収と放出は原子スペクトル線とも呼ばれ、外殻電子が電子軌道から別の電子軌道に上昇または下降する際の電子遷移によって生じます。原子にはまた、内殻電子が励起状態になることに起因する独特の X 線スペクトルがあります。

異なる元素の原子はそれぞれ異なるスペクトルを持っているため、原子分光法によってサンプルの元素組成を識別し、定量化することができます。分光器を発明した後、ロバート・ブンゼンとグスタフ・キルヒホフは、発光スペクトルを観察することで新しい元素を発見しました。原子吸収線は太陽スペクトルで観察され、発見者にちなんでフラウンホーファー線と呼ばれています。水素スペクトルの包括的な説明は量子力学の初期の成功であり、水素スペクトルで観察されたラムシフトを説明し、さらに量子電気力学の発展につながりました。

可視光線および紫外線遷移を研究するための原子分光法の最新の実装には、炎発光分光法、誘導結合プラズマ原子発光分光法、グロー放電分光法、マイクロ波誘導プラズマ分光法、およびスパークまたはアーク発光分光法が含まれます。X 線スペクトルを研究するための技術には、X 線分光法と蛍光 X 線が含まれます。

原子が分子に結合すると、独特のタイプのエネルギー状態が生成され、したがってこれらの状態間の遷移の独特のスペクトルが生成されます。分子スペクトルは、電子スピン状態（電子常磁性共鳴）、分子回転、分子振動、および電子状態によって得られます。回転は原子核の集団運動であり、通常はマイクロ波およびミリ波スペクトル領域のスペクトルにつながります。回転分光法とマイクロ波分光法は同義語です。振動は原子核の相対運動であり、赤外線分光法とラマン分光法の両方で研究されます。電子励起は、可視光および紫外線分光法、ならびに蛍光分光法を使用して研究されます。^{[2] [19] [20] [21] [22]}

分子分光法の研究は最初のメーザーの開発につながり、その後のレーザーの開発に貢献しました。

原子や分子が結晶やその他の拡張形態に結合すると、追加のエネルギー状態が生成されます。これらの状態は多数存在するため、状態密度が高くなります。この高密度により、スペクトルは弱くなり、明瞭性が低下し、つまり幅が広くなることがよくあります。たとえば、黒体放射は、物質内の原子や分子の熱運動によるものです。音響および機械的な応答も、集団運動によるものです。ただし、純粋な結晶は、明瞭なスペクトル遷移を持つ場合があり、結晶の配置も、観察される分子スペクトルに影響を及ぼします。結晶の規則的な格子構造は、X 線、電子、または中性子を散乱させるため、結晶学の研究が可能になります。

原子核には、大きく離れた異なるエネルギー状態があり、ガンマ線スペクトルを生み出します。異なる核スピン状態は磁場によってエネルギーを分離することができ、これにより核磁気共鳴分光法が可能になります。

その他のタイプの分光法は、特定のアプリケーションまたは実装によって区別されます。

• 音響共鳴分光法は、主に可聴領域と超音波領域の音波に基づいています。
• オージェ電子分光法は、ミクロスケールの物質の表面を研究するために使用される方法です。電子顕微鏡と組み合わせて使用​​されることが多いです。
• キャビティリングダウン分光法
• 円二色性分光法
• コヒーレント反ストークスラマン分光法は、生体内分光法やイメージングに高感度かつ強力な応用を持つ最近の技術である。^[23]
• 冷蒸気原子蛍光分光法
• 相関分光法には、いくつかの種類の 2 次元 NMR 分光法が含まれます。
• 深準位過渡分光法は、半導体材料内の電気的に活性な欠陥の濃度を測定し、パラメータを分析します。
• 誘電分光法
• 二重偏光干渉法は、複素屈折率の実数成分と虚数成分を測定します。
• 透過型電子顕微鏡における電子エネルギー損失分光法。
• 電子現象論的分光法は、多成分および複雑な分子系の電子構造の物理化学的性質と特徴を測定します。
• 電子常磁性共鳴分光法
• 力分光法
• フーリエ変換分光法は、干渉計を使用して取得したスペクトル データを処理する効率的な方法です。フーリエ変換赤外分光法は、赤外分光法の一般的な実装です。NMR でもフーリエ変換が使用されます。
• ガンマ分光法
• ハドロン分光法は、スピン、パリティ、その他の粒子特性に基づいてハドロンのエネルギー/質量スペクトルを研究します。重粒子分光法と中間子分光法はハドロン分光法の一種です。
• マルチスペクトル イメージングとハイパースペクトル イメージングは​​、環境またはさまざまなオブジェクトの完全な画像を作成する方法です。各ピクセルには、完全な可視スペクトル、可視近赤外線スペクトル、近赤外線スペクトル、または赤外線スペクトルが含まれます。
• 非弾性電子トンネル分光法では、特定のエネルギーにおける非弾性電子振動相互作用による電流の変化を利用し、光学的に禁制の遷移も測定できます。
• 非弾性中性子散乱はラマン分光法に似ていますが、光子の代わりに中性子を使用します。
• レーザー誘起ブレークダウン分光法、レーザー誘起プラズマ分光法とも呼ばれる
• レーザー分光法では、原子や分子を選択的に励起するために、波長可変レーザー^{[24]や光パラメトリック発振器[25]}などの他のタイプのコヒーレント発光源を使用します。
• 光散乱分光法（LSS）は、粘膜組織を研究し、早期癌や前癌状態を検出するために上皮細胞の形態変化を評価するために一般的に使用される分光技術です。^{[10] [26]}
• 質量分析法は質量分析法を指す歴史的用語である。現在は後者の用語を使用することが推奨されている。^{[27] 「質量分析法」という用語は、イオンを検出するために}リン光体スクリーンを使用することから生まれた。
• メスバウアー分光法は、ガンマ線の共鳴吸収を分析することで、さまざまな原子環境における特定の同位体 核の特性を調べます。メスバウアー効果も参照してください。
• 多変量光コンピューティングは、一般的に過酷な環境で使用される全光圧縮センシング技術であり、スペクトルから化学情報をアナログ出力として直接計算します。
• 中性子スピンエコー分光法は、タンパク質やその他のソフトマターシステムの内部ダイナミクスを測定します。
• 核四重極共鳴は、磁場のない状態での電場勾配（EFG）のNMRを介した化学分光法である。
• 摂動角相関(PAC) は、放射性核をプローブとして使用し、結晶 (凝縮物質) および生体分子内の電場と磁場 (超微細相互作用) を研究します。
• 光音響分光法は、放射線の吸収によって生成される音波を測定します。
• 光電子分光法
• 光熱分光法は、放射線の吸収によって発生する熱を測定​​します。
• ポンププローブ分光法では、超高速レーザーパルスを使用して、フェムト秒の時間スケールで反応中間体を測定できます。
• ラマン光学活性分光法は、ラマン散乱と光学活性効果を利用して、分子内のキラル中心に関する詳細な情報を明らかにします。
• ラマン分光法
• 飽和分光法
• 走査トンネル分光法
• 分光光度計
• スピンノイズ分光法は電子スピンと核スピンの自発的な変動を追跡する。^[28]
• 時間分解分光法は、さまざまな分光法を使用して励起状態の減衰率を測定します。
• 時間伸縮分光法^{[29] [30]}
• 熱赤外線分光法は、物質や表面から放射される熱放射を測定し、サンプル内に存在する結合の種類や格子環境を決定するために使用されます。この技術は、有機化学者、鉱物学者、惑星科学者によって広く使用されています。
• 過渡回折格子分光法は準粒子の伝播を測定します。金属材料が照射される際の変化を追跡できます。
• 紫外線光電子分光法
• 紫外可視分光法
• 振動円二色性分光法
• ビデオ分光法
• X線光電子分光法

分光法は、医学、物理学、化学、天文学の分野でさまざまな用途に使用されています。吸収特性と天文学的放射を利用して、分光法は自然界の特定の状態を識別するために使用できます。分光法はさまざまな分野やさまざまな用途で使用されているため、専門的な科学分野が生まれています。その例には次のものがあります。

• サンプルの原子構造の決定^[32]
• 太陽と遠方銀河のスペクトル輝線の研究^[33]
• 宇宙探査
• 光ファイバーを使用した複合材料の硬化モニタリング。
• 近赤外線分光法を用いた風化した木材の暴露時間の推定^[34]
• 可視スペクトルと赤外線スペクトルの両方での吸収分光法による食品サンプル内のさまざまな化合物の測定。
• 血液サンプル中の毒性化合物の測定
• 蛍光X線による非破壊元素分析。
• 各種分光器による電子構造の研究。
• 遠くの物体の速度と速度を決定するための赤方偏移
• 筋肉の代謝構造の決定
• 淡水および海洋生態系における溶存酸素含有量のモニタリング
• 薬効を高めるために薬の構造を変える
• タンパク質の特性評価
• 病院における呼吸ガス分析^[7]
• 相対論的ドップラー効果を利用して、遠くの恒星や近くの太陽系外惑星の物理的特性を調べる。^[35]
• 卵内性別判定：分光法によって孵化中の卵の性別を判定できる。フランスとドイツの企業が開発したこの技術により、両国は2022年に主にマセレーターで行われるひよこの殺処分を禁止することを決定した。 ^[36]
• 産業プロセス制御におけるプロセス監視^[37]

分光法の歴史は、アイザック・ニュートンの光学実験（1666-1672）から始まった。アンドリュー・フラクノイとデイビッド・モリソンによると、「1672年、アイザック・ニュートンは王立協会に提出した最初の論文で、太陽光を小さな穴に通し、次にプリズムに通す実験について説明した。ニュートンは、私たちには白く見える太陽光が、実際には虹のすべての色の混合物で構成されていることを発見した。」^[38]ニュートンは、「スペクトル」という言葉を、白色光を形成するために組み合わされ、白色光がプリズムを通されたときに現れる虹の色を説明するために使用した。

フラクノイとモリソンは、「1802年、ウィリアム・ハイド・ウォラストンは、太陽のスペクトルをスクリーンに焦点を合わせるレンズを備えた改良型分光計を製作した。ウォラストンは、使用してみると、色が均一に広がっているのではなく、スペクトルに暗い帯として現れる色の欠落部分があることに気付いた。」と述べている。 ^[38] 1800年代初頭、ジョセフ・フォン・フラウンホーファーは、分散型分光計の実験的進歩により、分光法をより正確で定量的な科学技術にすることを可能にした。それ以来、分光法は化学、物理学、天文学において重要な役割を果たしており、現在も果たし続けている。フラクノイとモリソンによると、「その後、1815年にドイツの物理学者ジョセフ・フラウンホーファーも太陽スペクトルを調べ、現在フラウンホーファー線、または吸収線として知られている約600本の暗い線（欠落した色）を発見した。」^{[38] [より良い情報源が必要]}

量子力学システムでは、類似の共鳴は、原子などの 1 つのシステムの2 つの量子力学的定常状態が、光子などの振動エネルギー源を介して結合することです。2 つの状態の結合は、発生源のエネルギーが 2 つの状態間のエネルギー差と一致するときに最も強くなります。光子のエネルギーEは、その周波数νとE = hνで関連しており、hはプランク定数です。そのため、システム応答対光子周波数のスペクトルは、共鳴周波数またはエネルギーでピークになります。電子や中性子などの粒子は、運動エネルギーと波長および周波数の間に同様の関係、つまりド・ブロイの関係があり、そのため共鳴相互作用を励起することもできます。

原子や分子のスペクトルは、多くの場合、一連のスペクトル線で構成され、各スペクトル線は 2 つの異なる量子状態間の共鳴を表します。これらの系列とそれに関連するスペクトル パターンの説明は、量子力学の発展と受容を促した実験上の謎の 1 つでした。特に水素のスペクトル系列は、水素原子のラザフォード - ボーア量子モデルによって初めてうまく説明されました。スペクトル線は十分に分離されて区別できる場合もありますが、エネルギー状態の密度が十分に高い場合は、スペクトル線が重なり合って単一の遷移のように見えることもあります。名前の付いた系列の線には、主系列、シャープ系列、拡散系列、基本系列などがあります。

• John M. Chalmers、Peter Griffiths 編 (2006)。振動分光法ハンドブック。ニューヨーク: Wiley。doi : 10.1002 / 0470027320。ISBN 978-0-471-98847-2。
• ジェリー・ワークマン、アート・スプリングスティーン編（1998年）。応用分光法。ボストン：アカデミック・プレス。ISBN 978-0-08-052749-9。
• Peter M. Skrabal (2012)。分光法 - UVからNMRまでの分光法の学際的統合記述（電子書籍）。ETH Zurich：vdf Hochschulverlag AG。doi ：10.3218/3385-4。ISBN 978-3-7281-3385-4. S2CID  244026324。

Wikiquoteに分光法に関する引用があります。

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ウィキメディア・コモンズには、分光法に関連するメディアがあります。

• NIST 原子分光データベース
• MIT 分光研究所の分光法の歴史
• 分光法のタイムライン
• 分光法：虹を読む