Che cos'è uno spettro di emissione?
Uno spettro di emissione è la radiazione elettromagnetica (EMR), come la luce visibile, che una sostanza emette. Ogni elemento emette un'impronta digitale unica della luce, quindi l'analisi delle frequenze di questa luce aiuta a identificare la sostanza chimica che l'ha generata. Questa procedura si chiama spettroscopia di emissione ed è uno strumento scientifico molto utile. È usato in astronomia per studiare gli elementi presenti nelle stelle e nell'analisi chimica.
La radiazione elettromagnetica può essere descritta in termini di lunghezza d'onda - la distanza tra le creste delle onde - o la sua frequenza - il numero di creste che passano in un determinato periodo di tempo. Maggiore è l'energia della radiazione, minore sarà la sua lunghezza d'onda e maggiore sarà la sua frequenza. La luce blu, ad esempio, ha un'energia più elevata e quindi una frequenza più elevata e una lunghezza d'onda più corta della luce rossa.
Tipi di spettri
Esistono due tipi di spettro di emissione. Il tipo continuo contiene molte frequenze che si fondono l'una nell'altra senza spazi vuoti, mentre il tipo di linea contiene solo poche frequenze distinte. Gli oggetti caldi producono uno spettro continuo, mentre i gas possono assorbire energia e quindi emetterla a determinate lunghezze d'onda, formando uno spettro di linee di emissione. Ogni elemento chimico ha la sua sequenza unica di linee.
Come viene prodotto uno spettro continuo
Le sostanze relativamente dense, quando diventano abbastanza calde, emettono luce a tutte le lunghezze d'onda. Gli atomi sono relativamente vicini tra loro e man mano che acquisiscono energia, si muovono di più e si scontrano l'uno contro l'altro, generando una vasta gamma di energie. Lo spettro, quindi, è costituito da EMR a una gamma molto ampia di frequenze. Le quantità di radiazione a frequenze diverse variano con la temperatura. Un chiodo di ferro riscaldato in una fiamma passerà dal rosso al giallo al bianco all'aumentare della sua temperatura ed emette quantità crescenti di radiazione a lunghezze d'onda più brevi.
Un arcobaleno è un esempio dello spettro continuo prodotto dal Sole. Le goccioline d'acqua agiscono come prismi, dividendo la luce del Sole nelle sue varie lunghezze d'onda.
Lo spettro continuo è determinato interamente dalla temperatura di un oggetto e non dalla sua composizione. In effetti, i colori possono essere descritti in termini di temperatura. In astronomia, il colore di una stella rivela la sua temperatura, con le stelle blu che sono molto più calde di quelle rosse.
Come gli elementi producono gli spettri della linea di emissione
Uno spettro di linea è prodotto da gas o plasma, in cui gli atomi sono abbastanza distanti da non influenzarsi a vicenda direttamente. Gli elettroni in un atomo possono esistere a diversi livelli di energia. Quando tutti gli elettroni in un atomo sono al loro livello di energia più basso, si dice che l'atomo sia nel suo stato fondamentale . Mentre assorbe energia, un elettrone può saltare a un livello di energia più elevato. Prima o poi, tuttavia, l'elettrone tornerà al suo livello più basso e l'atomo al suo stato fondamentale, emettendo energia come radiazione elettromagnetica.
L'energia dell'EMR corrisponde alla differenza di energia tra gli stati superiore e inferiore dell'elettrone. Quando un elettrone scende da uno stato di energia alto a uno basso, la dimensione del salto determina la frequenza della radiazione emessa. La luce blu, ad esempio, indica una maggiore caduta di energia rispetto alla luce rossa.
Ogni elemento ha la propria disposizione di elettroni e possibili livelli di energia. Quando un elettrone assorbe radiazioni di una particolare frequenza, in seguito emetterà radiazioni alla stessa frequenza: la lunghezza d'onda della radiazione assorbita determina il salto iniziale nel livello di energia, e quindi l'eventuale salto di ritorno allo stato fondamentale. Ne consegue che gli atomi di un dato elemento possono emettere radiazioni solo a determinate lunghezze d'onda, formando un modello unico per quell'elemento.
Osservando gli spettri
Uno strumento noto come spettroscopio o spettrometro viene utilizzato per osservare gli spettri di emissione. Usa un prisma o una griglia di diffrazione per dividere la luce, e talvolta altre forme di EMR, nelle loro diverse frequenze. Questo può dare uno spettro continuo o lineare, a seconda della fonte di luce.
Uno spettro di emissione di linea appare come una serie di linee colorate su uno sfondo scuro. Notando le posizioni delle linee, uno spettroscopista può scoprire quali elementi sono presenti nella sorgente di luce. Lo spettro di emissione dell'idrogeno, l'elemento più semplice, è costituito da una serie di linee nelle gamme di luce visibile rossa, blu e viola. Altri elementi hanno spesso spettri più complessi.
Test di fiamma
Alcuni elementi emettono luce principalmente di un solo colore. In questi casi, è possibile identificare l'elemento in un campione eseguendo un test di fiamma . Ciò comporta il riscaldamento del campione in una fiamma, provocando la vaporizzazione e l'emissione di radiazioni alle sue frequenze caratteristiche e dando un colore chiaramente visibile alla fiamma. L'elemento sodio, ad esempio, dà un forte colore giallo. Molti elementi possono essere facilmente identificati in questo modo.
Spettri molecolari
Le molecole intere possono anche produrre spettri di emissione, che risultano da cambiamenti nel modo in cui vibrano o ruotano. Questi implicano energie più basse e tendono a produrre emissioni nella parte infrarossa dello spettro. Gli astronomi hanno identificato una varietà di molecole interessanti nello spazio attraverso la spettroscopia infrarossa e la tecnica è spesso usata in chimica organica.
Spettri di assorbimento
È importante distinguere tra spettri di emissione e assorbimento. In uno spettro di assorbimento, alcune lunghezze d'onda della luce vengono assorbite mentre attraversano un gas, formando un modello di linee scure su uno sfondo continuo. Gli elementi assorbono le stesse lunghezze d'onda che emettono, quindi può essere usato per identificarli. Ad esempio, la luce del Sole che passa attraverso l'atmosfera di Venere produce uno spettro di assorbimento che consente agli scienziati di determinare la composizione dell'atmosfera del pianeta.