Emisijos spektras yra elektromagnetinė spinduliuotė (EMR), tokia kaip matoma šviesa, kurią skleidžia medžiaga. Kiekvienas elementas skleidžia unikalų šviesos piršto atspaudą, todėl šios šviesos dažnių analizė padeda nustatyti ją sukėlusią cheminę medžiagą. Ši procedūra vadinama emisijos spektroskopija ir yra labai naudinga mokslinė priemonė. Jis naudojamas astronomijoje žvaigždžių elementams tirti ir cheminei analizei.
Elektromagnetinę spinduliuotę galima apibūdinti pagal jos bangos ilgį – atstumą tarp bangų keterų – arba jos dažnį – keterų, praeinančių per tam tikrą laiką, skaičių. Kuo didesnė spinduliuotės energija, tuo trumpesnis jos bangos ilgis ir didesnis dažnis. Pavyzdžiui, mėlyna šviesa turi didesnę energiją, todėl jos dažnis ir trumpesnis bangos ilgis nei raudona šviesa.
Spektrų tipai
Yra dviejų tipų emisijos spektras. Ištisiniame tipe yra daug dažnių, susiliejančių vienas į kitą be tarpų, o linijos tipą sudaro tik keli skirtingi dažniai. Karšti objektai sukuria nenutrūkstamą spektrą, o dujos gali sugerti energiją, tada ją išspinduliuoti tam tikrais bangos ilgiais, sudarydamos emisijos linijos spektrą. Kiekvienas cheminis elementas turi savo unikalią linijų seką.
Kaip sukuriamas nenutrūkstamas spektras
Santykinai tankios medžiagos, pakankamai įkaistančios, skleidžia šviesą visais bangos ilgiais. Atomai yra santykinai arti vienas kito ir, įgydami energijos, daugiau juda ir atsitrenkia vienas į kitą, o tai lemia platų energijos spektrą. Todėl spektrą sudaro labai plataus dažnių diapazono EMR. Skirtingo dažnio spinduliuotės kiekis skiriasi priklausomai nuo temperatūros. Liepsnoje įkaitinta geležinė vinis, kylant temperatūrai, nuo raudonos iki geltonos spalvos taps balta ir skleidžia vis didesnį spinduliuotės kiekį trumpesniais bangos ilgiais.
Vaivorykštė yra nuolatinio Saulės sukuriamo spektro pavyzdys. Vandens lašeliai veikia kaip prizmės, padalijančios Saulės šviesą į įvairius bangos ilgius.
Ištisinį spektrą visiškai lemia objekto temperatūra, o ne jo sudėtis. Tiesą sakant, spalvas galima apibūdinti pagal temperatūrą. Astronomijoje žvaigždės spalva atskleidžia jos temperatūrą, o mėlynos žvaigždės yra daug karštesnės nei raudonos.
Kaip elementai sukuria emisijos linijų spektrus
Linijinį spektrą sukuria dujos arba plazma, kur atomai yra pakankamai toli vienas nuo kito, kad nedarytų tiesioginės įtakos vienas kitam. Elektronai atome gali egzistuoti skirtingais energijos lygiais. Kai visi elektronai atome yra žemiausiame energijos lygyje, sakoma, kad atomas yra pagrindinėje būsenoje. Sugerdamas energiją elektronas gali pereiti į aukštesnį energijos lygį. Tačiau anksčiau ar vėliau elektronas grįš į žemiausią lygį, o atomas į pradinę būseną, skleisdamas energiją kaip elektromagnetinę spinduliuotę.
EMR energija atitinka energijos skirtumą tarp aukštesnės ir žemesnės elektrono būsenos. Kai elektronas nukrenta iš didelės į mažos energijos būseną, šuolio dydis lemia skleidžiamos spinduliuotės dažnį. Pavyzdžiui, mėlyna šviesa rodo didesnį energijos kritimą nei raudona šviesa.
Kiekvienas elementas turi savo elektronų išsidėstymą ir galimus energijos lygius. Kai elektronas sugeria tam tikro dažnio spinduliuotę, vėliau jis skleis spinduliuotę tokiu pat dažniu: sugertos spinduliuotės bangos ilgis lemia pradinį energijos lygio šuolį, taigi ir galutinį šuolį atgal į pagrindinę būseną. Iš to išplaukia, kad bet kurio elemento atomai gali skleisti tik tam tikro tam tikro bangos ilgio spinduliuotę, sudarydami unikalų tam elementui būdingą modelį.
Spektro stebėjimas
Emisijos spektrams stebėti naudojamas instrumentas, žinomas kaip spektroskopas arba spektrometras. Jis naudoja prizmę arba difrakcinę gardelę, kad padalintų šviesą, o kartais ir kitas EMR formas į skirtingus jų dažnius. Tai gali suteikti ištisinį arba linijinį spektrą, priklausomai nuo šviesos šaltinio.
Tamsiame fone linijų emisijos spektras rodomas kaip spalvotų linijų serija. Atkreipdamas dėmesį į linijų padėtį, spektroskopuotojas gali sužinoti, kokie elementai yra šviesos šaltinyje. Vandenilio, paprasčiausio elemento, emisijos spektrą sudaro raudonos, mėlynos ir violetinės matomos šviesos diapazonų linijos. Kiti elementai dažnai turi sudėtingesnį spektrą.
Liepsnos testai
Kai kurie elementai skleidžia daugiausia tik vienos spalvos šviesą. Tokiais atvejais elementą mėginyje galima identifikuoti atliekant liepsnos bandymą. Tai apima mėginio kaitinimą liepsnoje, dėl kurio jis išgaruoja ir išskiria jam būdingų dažnių spinduliuotę ir suteikia liepsnai aiškiai matomą spalvą. Pavyzdžiui, elementas natris suteikia stipriai geltoną spalvą. Tokiu būdu galima lengvai atpažinti daugelį elementų.
Molekuliniai spektrai
Ištisos molekulės taip pat gali sukurti emisijos spektrus, atsirandančius dėl jų vibracijos ar sukimosi pokyčių. Tai apima mažesnę energiją ir paprastai spinduliuoja infraraudonųjų spindulių spektro dalį. Astronomai, taikydami infraraudonųjų spindulių spektroskopiją, nustatė daugybę įdomių molekulių erdvėje, o ši technika dažnai naudojama organinėje chemijoje.
Absorbcijos spektrai
Svarbu atskirti emisijos ir sugerties spektrus. Absorbcijos spektre kai kurie šviesos bangos ilgiai sugeriami, kai jie praeina per dujas, sudarydami tamsių linijų modelį ištisiniame fone. Elementai sugeria tuos pačius bangos ilgius, kuriuos jie skleidžia, todėl tai gali būti naudojama jiems identifikuoti. Pavyzdžiui, Saulės šviesa, einanti per Veneros atmosferą, sukuria absorbcijos spektrą, leidžiantį mokslininkams nustatyti planetos atmosferos sudėtį.