Co je emisní spektrum?

Emisní spektrum je elektromagnetické záření (EMR), jako je viditelné světlo, které látka emituje. Každý prvek vydává jedinečný otisk světla, takže analýza frekvencí tohoto světla pomáhá identifikovat chemikálii, která ho generovala. Tento postup se nazývá emisní spektroskopie a je velmi užitečným vědeckým nástrojem. V astronomii se používá ke studiu prvků přítomných ve hvězdách a při chemické analýze.

Elektromagnetické záření lze popsat na základě jeho vlnové délky - vzdálenosti mezi hřebeny vln - nebo jeho frekvence - počtu hřebenů, které projdou v daném množství času. Čím vyšší je energie záření, tím kratší je jeho vlnová délka a čím vyšší bude jeho frekvence. Například modré světlo má vyšší energii, a proto vyšší frekvenci a kratší vlnovou délku než červené světlo.

Druhy spektra

Existují dva typy emisního spektra. Kontinuální typ obsahuje mnoho frekvencí, které se spojují do sebe bez mezer, zatímco typ linky obsahuje pouze několik odlišných frekvencí. Horké objekty vytvářejí nepřetržité spektrum, zatímco plyny mohou absorbovat energii a poté ji emitovat při určitých specifických vlnových délkách, čímž vytvářejí emisní liniové spektrum. Každý chemický prvek má svou vlastní jedinečnou sekvenci čar.

Jak se vytváří nepřetržité spektrum

Relativně husté látky, když jsou dostatečně horké, vyzařují světlo na všech vlnových délkách. Atomy jsou relativně blízko sebe a jak získávají energii, pohybují se více a naráží proti sobě, což vede k široké škále energií. Spektrum tedy sestává z EMR ve velmi širokém rozsahu frekvencí. Množství záření při různých frekvencích se mění s teplotou. Železný hřebík zahřátý v plameni přechází z červené na žlutou na bílou s rostoucí teplotou a při kratších vlnových délkách emituje rostoucí množství záření.

Duha je příkladem kontinuálního spektra produkovaného Sluncem. Kapky vody fungují jako hranoly a rozdělují sluneční světlo na různé vlnové délky.

Nepřetržité spektrum je určováno výhradně teplotou objektu a nikoli jeho složením. Ve skutečnosti mohou být barvy popsány z hlediska teploty. V astronomii, barva hvězdy odhalí jeho teplotu, s modrými hvězdami být hodně teplejší než ty červené.

Jak prvky produkují emisní liniové spektrum

Čárové spektrum je produkováno plynem nebo plazmou, kde atomy jsou dostatečně daleko od sebe, aby se vzájemně přímo neovlivňovaly. Elektrony v atomu mohou existovat na různých úrovních energie. Když jsou všechny elektrony v atomu na nejnižší energetické hladině, je tento atom v základním stavu . Když absorbuje energii, může elektron vyskočit na vyšší energetickou úroveň. Dříve nebo později se však elektron vrátí na nejnižší úroveň a atom do svého základního stavu, přičemž vyzařuje energii jako elektromagnetické záření.

Energie EMR odpovídá rozdílu energie mezi vyšším a nižším stavem elektronu. Když elektron klesne z vysoko na nízkoenergetický stav, velikost skoku určuje frekvenci emitovaného záření. Modré světlo například znamená větší pokles energie než červené světlo.

Každý prvek má své vlastní uspořádání elektronů a možné úrovně energie. Když elektron absorbuje záření konkrétní frekvence, bude později emitovat záření se stejnou frekvencí: vlnová délka absorbovaného záření určuje počáteční skok v energetické hladině, a proto eventuální skok zpět do základního stavu. Z toho vyplývá, že atomy jakéhokoli daného prvku mohou vyzařovat záření pouze na určitých specifických vlnových délkách, čímž vytvářejí vzor jedinečný pro daný prvek.

Pozorování spektra

K pozorování emisních spekter se používá přístroj známý jako spektroskop nebo spektrometr. Používá hranol nebo difrakční mřížku pro rozdělení světla a někdy i jiných forem EMR na jejich různé frekvence. To může poskytnout souvislé nebo liniové spektrum v závislosti na zdroji světla.

Čárové emisní spektrum se objeví jako řada barevných čar na tmavém pozadí. Zaznamenáním pozic linií může spektroskop zjistit, jaké prvky jsou přítomny ve zdroji světla. Emisní spektrum vodíku, nejjednoduššího prvku, sestává z řady čar v červené, modré a fialové oblasti viditelného světla. Ostatní prvky mají často složitější spektra.

Plamenové testy

Některé prvky emitují světlo hlavně pouze jedné barvy. V těchto případech je možné identifikovat prvek ve vzorku provedením plamenové zkoušky . To zahrnuje zahřívání vzorku v plameni, což způsobí jeho odpařování a vyzařování záření při jeho charakteristických frekvencích a plameni poskytne jasně viditelnou barvu. Například prvek sodíku dává silnou žlutou barvu. Tímto způsobem lze snadno identifikovat mnoho prvků.

Molekulární spektrum

Celé molekuly mohou také produkovat emisní spektra, která vyplývají ze změn ve způsobu, jakým vibrují nebo rotují. Jedná se o nižší energie a mají sklon produkovat emise v infračervené části spektra. Astronomové pomocí infračervené spektroskopie identifikovali řadu zajímavých molekul ve vesmíru a tato technika se často používá v organické chemii.

Absorpční spektrum

Je důležité rozlišovat mezi emisními a absorpčními spektry. V absorpčním spektru jsou některé vlnové délky světla absorbovány, když procházejí plynem, a vytvářejí vzor tmavých čar proti souvislému pozadí. Prvky absorbují stejné vlnové délky, jaké vysílají, takže je lze použít k jejich identifikaci. Například, světlo ze Slunce procházející atmosférou Venuše vytváří absorpční spektrum, které vědcům umožňuje určovat složení atmosféry planety.