Spektroskopas yra mokslinis instrumentas, padalijantis šviesą į skirtingus bangos ilgius, kuriuos žmonės mato kaip skirtingas spalvas. Violetinė turi trumpiausią žmonių matomą bangos ilgį, o raudona – ilgiausiai. Šis prietaisas taip pat gali nustatyti bangos ilgius, kurių žmonės nemato, pavyzdžiui, infraraudonąją ir ultravioletinę spinduliuotę. Šviesoje paprastai yra įvairių bangų ilgių mišinys; Juos tyrinėdami mokslininkai gali sužinoti naudingos informacijos, pavyzdžiui, apie šviesos šaltinyje esančius cheminius elementus. Spektroskopai plačiai naudojami astronomijoje, chemijoje ir kitose srityse.
Spektroskopų tipai ir kaip jie veikia
Vokiečių optikas Josephas von Fraunhoferis išrado spektroskopą 1814 m. Ankstyvoje formoje jis naudojo lęšį gaunamai šviesai fokusuoti, o prizmę – šviesai skaidyti lūžimo būdu. Tačiau vėliau Fraunhoferis prizmę pakeitė įtaisu, sudarytu iš kelių siaurų lygiagrečių plyšių, žinomų kaip difrakcijos gardelė. Tai išskleidė skirtingus šviesos bangos ilgius skirtingais kiekiais ir turėjo pranašumą, nes stebėtojas galėjo iš tikrųjų išmatuoti bangos ilgius, o tai nebuvo įmanoma naudojant prizmę. Fraunhoferis savo spektroskopais tyrinėjo šviesą iš įvairių šaltinių, įskaitant liepsnas, karštas medžiagas ir Saulę, planetas ir žvaigždes.
Šiuolaikiniai spektroskopai yra įvairių tipų, atsižvelgiant į jų paskirtį. Paprastas rankinis prietaisas naudoja mažą difrakcijos grotelę arba prizmę ir yra lengvai nešiojamas. Jis skirtas naudoti lauke ir gali būti naudojamas, pavyzdžiui, brangakmeniams ir mineralams identifikuoti. Astronomijoje spektroskopas paprastai būtų naudojamas kartu su teleskopu, kad būtų galima analizuoti tolimų, silpnų objektų šviesą; šie instrumentai būna sunkūs ir nepatogūs.
Yra ir kitų instrumentų, kurie atlieka tą patį darbą kaip ir spektroskopas ir veikia tuo pačiu principu. Jie daugiausia skiriasi spektro įrašymo būdu. Šiuolaikinis spektrometras sukuria skaitmeninį spektro vaizdą, o spektrofotometras jį įrašo elektroniniu būdu, o spektrografas yra bendresnis prietaiso, kuris sukuria ir įrašo spektrą, pavadinimas. Šie terminai kartais vartojami pakaitomis, o „spektroskopas“ gali apibūdinti bet kurį iš jų.
Kai kurie įrenginiai gali sukurti elektromagnetinės spinduliuotės spektrus, kurių bangos ilgis viršija matomos šviesos ribas. Kadangi šios spinduliuotės negalima stebėti tiesiogiai, spektrus reikia fiksuoti specialiais detektoriais. Jie naudojami infraraudoniesiems ir ultravioletiniams spinduliams tirti.
Infraraudonųjų spindulių spektroskopas gali naudoti reguliuojamą monochromatorių, kad atskirtų kiekvieną dominantį bangos ilgį arba, dažniau, interferometrą. Tai padalija gaunamą spinduliuotę į du pluoštus. Judantis veidrodis keičia vieno pluošto ilgį taip, kad juos sujungus susidaro trukdžių raštas. Modelio analizė atskleidžia skirtingus bangos ilgius. Interferometro metodo pranašumas yra visų bangų ilgių aptikimas vienu praėjimu.
Spektro tipai
Medžiagos, skleidžiančios šviesą, sukuria emisijos spektrą. Karštos, švytinčios kietosios medžiagos, tokios kaip baltai įkaitęs metalas, skleidžia šviesą visais bangos ilgiais ir sukuria nenutrūkstamą spektrą, kuriame spalvos susilieja viena į kitą. Kita vertus, labai karštos dujos sukuria linijų spektrą, kurį sudaro spalvotos linijos tamsiame fone. Taip yra todėl, kad jie skleidžia šviesą tik tam tikru bangos ilgiu, priklausomai nuo esamų cheminių elementų.
Kiekvienas elementas turi savo unikalų linijų modelį. Pavyzdžiui, natris sukuria stiprias linijas geltonojoje spektro dalyje. Tai galima pamatyti pabarsčius druską (natrio chloridą) į liepsną, suteikiant jai išskirtinę geltoną spalvą.
Absorbcijos spektras susidaro, kai tam tikro bangos ilgio šviesą sugeria dujos ar skystis, per kuriuos ji praeina. Kiekvienas cheminis elementas sugeria tik tam tikrus specifinius bangos ilgius – tuos pačius, kuriuos jis skleidžia kaip karštos dujos – todėl sugerties spektrai taip pat gali būti naudojami elementams identifikuoti. Absorbcijos spektras susideda iš tamsių linijų šviesiame ištisinio spektro fone.
Saulė sukuria ištisinį spektrą su daugybe tamsių sugerties linijų. Branduolinės sintezės procesas Saulės šerdyje išskiria šviesą daugeliu bangų ilgių, tačiau kai kuriuos iš jų sugeria įvairūs elementai, kai šviesa keliauja į paviršių ir susidaro tamsios linijos. Taip mokslininkams pavyko nustatyti Saulės cheminę sudėtį. Elementas helis, kurio Žemėje niekada nebuvo matyti, pirmiausia buvo identifikuotas pagal jo absorbcijos linijas Saulės spektre.
Spektroskopija astronomijoje
Astronomai naudoja spektroskopus, kad išsiaiškintų, kokių elementų yra žvaigždėse, planetų atmosferose ir tarpžvaigždinėje erdvėje. Nustatyta, kad žvaigždžių sudėtis skiriasi ir jas galima klasifikuoti pagal jų spektrą. Spektroskopai leido tyrėjams išsiaiškinti, kokių elementų yra kitų Saulės sistemos planetų atmosferose. Astronomai gali išanalizuoti egzoplanetų, skriejančių aplink kitas žvaigždes, atmosferas; jei būtų rastas deguonis, tai būtų stiprus gyvybės požymis.
Ištyrus kitų galaktikų šviesą, paaiškėjo, kad daugeliu atvejų elementų spektrinės linijos yra pasislinkusios link ilgesnio bangos ilgio, raudonojo spektro galo, reiškinio, žinomo kaip raudonasis poslinkis. Tolimiausios galaktikos rodo didžiausius raudonuosius poslinkius, ir dauguma astronomų mano, kad taip yra todėl, kad visata plečiasi. Didėjant erdvei tarp dviejų objektų, tarp jų sklindanti šviesa ištempiama, todėl bangos ilgiai yra ilgesni.
Labai tolimų objektų, esančių už milijardų šviesmečių, spektrai pasislenka už matomos šviesos diapazono į infraraudonųjų spindulių sritį. Dėl šios priežasties joms analizuoti reikia naudoti infraraudonųjų spindulių spektroskopiją. Molekulės vibruodami arba sukdamosi gamina infraraudonąją spinduliuotę būdingais bangos ilgiais. Todėl šis metodas gali būti naudojamas tarpžvaigždinėje erdvėje plūduriuojančiuose dujų debesyse esančioms molekulėms identifikuoti. Astronomai tokiu būdu dujų debesyse atrado vandenį, metaną ir amoniaką.
Spektroskopija chemijoje
Chemijoje spektroskopai gali nustatyti medžiagos pavyzdyje esančius elementus. Stipriai kaitinant mėginį, pavyzdžiui, liepsnoje, jis paverčiamas karštomis, žėrinčiomis dujomis, kurios sukuria emisijos linijos spektrą. Tada chemikai gali tai ištirti, kad nustatytų elementus. Šis metodas leido atrasti daugelį periodinės lentelės elementų. Arba spektroskopija gali užfiksuoti skysčio sugerties spektrą, kai pro jį šviečia šviesa.
Chemikai gali naudoti spektroskopiją, kad nustatytų cheminius junginius ir elementus. Šiuo atžvilgiu ypač naudinga infraraudonųjų spindulių spektroskopija, kuri dažnai naudojama organinėje chemijoje, biochemijoje ir teismo chemijoje.