Hvad er et emissionsspektrum?
Et emissionsspektrum er den elektromagnetiske stråling (EMR), såsom synligt lys, et stof udsender. Hvert element afgiver et unikt fingeraftryk af lys, så at analysere frekvenserne af dette lys hjælper med at identificere det kemikalie, der genererede det. Denne procedure kaldes emissionsspektroskopi og er et meget nyttigt videnskabeligt værktøj. Det bruges i astronomi til at studere de elementer, der findes i stjerner og i kemisk analyse.
Elektromagnetisk stråling kan beskrives med hensyn til dens bølgelængde - afstanden mellem bølgerne - eller dens hyppighed - antallet af kamber, der går forbi i en given tidsperiode. Jo højere strålingsenergi, desto kortere er bølgelængden og jo højere er frekvensen. Blåt lys har for eksempel en højere energi og derfor en højere frekvens og kortere bølgelængde end rødt lys.
Typer af spektra
Der er to typer emissionsspektrum. Den kontinuerlige type indeholder mange frekvenser, der smelter ind i hinanden uden mellemrum, mens linjetypen kun indeholder et par forskellige frekvenser. Varme genstande producerer et kontinuerligt spektrum, hvorimod gasser kan absorbere energi og derefter udsende den ved visse specifikke bølgelængder og danne et emissionslinjespektrum. Hvert kemisk element har sin egen unikke række af linjer.
Sådan produceres et kontinuerligt spektrum
Når de bliver varme nok, udsender relativt tætte stoffer lys på alle bølgelængder. Atomerne ligger relativt tæt på hinanden, og når de får energi, bevæger de sig mere og støder mod hinanden, hvilket resulterer i en lang række energier. Spektret består derfor af EMR ved et meget bredt frekvensområde. Mængderne af stråling ved forskellige frekvenser varierer med temperaturen. En jernspik opvarmet i en flamme vil gå fra rød til gul til hvid, når temperaturen stiger, og den udsender stigende mængder af stråling ved kortere bølgelængder.
En regnbue er et eksempel på det kontinuerlige spektrum produceret af solen. Vanddråber fungerer som prismer og deler solens lys i dens forskellige bølgelængder.
Det kontinuerlige spektrum bestemmes fuldstændigt af temperaturen på et objekt og ikke af dets sammensætning. Faktisk kan farver beskrives med hensyn til temperatur. I astronomi afslører en stjerners farve dens temperatur, hvor blå stjerner er meget varmere end røde.
Hvordan elementer producerer emissionsspektre
Et linjespektrum produceres af gas eller plasma, hvor atomerne er langt nok fra hinanden til ikke at påvirke hinanden direkte. Elektronerne i et atom kan eksistere på forskellige energiniveauer. Når alle elektroner i et atom er på deres laveste energiniveau, siges atomet at være i dens jordtilstand . Når den absorberer energi, kan et elektron springe til et højere energiniveau. Før eller senere vil elektronet dog vende tilbage til sit laveste niveau og atomet til sin jordtilstand og udsende energi som elektromagnetisk stråling.
EMR-energien svarer til forskellen i energi mellem elektronens højere og lavere tilstande. Når et elektron falder fra en høj til lav energitilstand, bestemmer hoppets størrelse frekvensen af den udsendte stråling. Blåt lys indikerer for eksempel et større fald i energi end rødt lys.
Hvert element har sit eget arrangement af elektroner og mulige energiniveau. Når en elektron absorberer stråling med en bestemt frekvens, udsender den senere stråling med den samme frekvens: bølgelængden af den absorberede stråling bestemmer det indledende spring i energiniveauet og derfor det eventuelle spring tilbage til jordtilstanden. Det følger heraf, at atomer i et hvilket som helst givet element kun kan udsende stråling ved bestemte specifikke bølgelængder og danne et mønster unikt for dette element.
Iagttagelse af Spectra
Et instrument kendt som et spektroskop eller spektrometer bruges til at observere emissionsspektre. Det bruger et prisme eller diffraktionsgitter til at opdele lys, og nogle gange andre former for EMR, i deres forskellige frekvenser. Dette kan give et kontinuerligt eller linjespektrum, afhængigt af lyskilden.
Et linieemissionsspektrum vises som en række farvede linjer på en mørk baggrund. Ved at notere linjernes position kan en spektroskopist opdage, hvilke elementer der er til stede i lyskilden. Emissionsspektret af brint, det enkleste element, består af en række linjer i det røde, blå og violette område af synligt lys. Andre elementer har ofte mere komplekse spektre.
Flammetest
Nogle elementer udsender lys hovedsageligt af kun en farve. I disse tilfælde er det muligt at identificere elementet i en prøve ved at udføre en flammetest . Dette involverer opvarmning af prøven i en flamme, hvilket får den til at fordampe og udsende stråling ved dens karakteristiske frekvenser og give en klart synlig farve til flammen. Elementet natrium giver for eksempel en stærk gul farve. Mange elementer kan let identificeres på denne måde.
Molekylær spektre
Hele molekyler kan også producere emissionsspektre, der er resultatet af ændringer i den måde, de vibrerer eller roterer på. Disse involverer lavere energier og har tendens til at producere emissioner i den infrarøde del af spektret. Astronomer har identificeret en række interessante molekyler i rummet gennem infrarød spektroskopi, og teknikken bruges ofte i organisk kemi.
Absorptionsspektre
Det er vigtigt at skelne mellem emission og absorptionsspektre. I et absorptionsspektrum absorberes nogle bølgelængder af lys, når de passerer gennem en gas og danner et mønster af mørke linjer mod en kontinuerlig baggrund. Elementer absorberer de samme bølgelængder, som de udsender, så dette kan bruges til at identificere dem. For eksempel producerer lys fra solen, der passerer gennem atmosfæren i Venus, et absorptionsspektrum, der giver forskere mulighed for at bestemme sammensætningen af planetens atmosfære.