発光スペクトルとは何ですか？

放射スペクトルは、物質が放射する可視光などの電磁放射（EMR）です。すべての要素は光の固有の指紋を発するので、この光の周波数を分析すると、それを生成した化学物質を特定するのに役立ちます。この手順は発光分光法と呼ばれ、非常に有用な科学的ツールです。天文学で使用され、星や化学分析に存在する元素を研究します。

電磁放射は、その波長（波の頂点間の距離）またはその周波数（所定の時間内に通過する頂点の数）で表すことができます。放射線のエネルギーが高いほど、波長は短くなり、周波数は高くなります。たとえば、青色光は、赤色光よりもエネルギーが高いため、周波数が高く、波長が短くなっています。

スペクトルの種類

発光スペクトルには2つのタイプがあります。連続タイプには、ギャップなしで互いに結合する多くの周波数が含まれていますが、ラインタイプには、いくつかの異なる周波数しか含まれていません。高温の物体は連続したスペクトルを生成しますが、ガスはエネルギーを吸収して特定の波長で放出し、輝線スペクトルを形成します。各化学要素には、独自の行のシーケンスがあります。

連続スペクトルの生成方法

比較的密度の高い物質は、十分に熱くなると、すべての波長の光を放出します。原子は比較的近くにあり、エネルギーを得ると、原子はさらに動き回り、互いに衝突し、幅広いエネルギーをもたらします。したがって、スペクトルは非常に広い範囲の周波数のEMRで構成されます。異なる周波数での放射量は温度によって異なります。炎で加熱された鉄の爪は、温度が上昇すると赤から黄色、そして白に変わり、より短い波長で放射量が増加します。

虹は、太陽によって生成される連続スペクトルの例です。水滴はプリズムとして機能し、太陽の光をさまざまな波長に分割します。

連続スペクトルは、組成ではなくオブジェクトの温度によって完全に決定されます。実際、色は温度の観点から説明できます。天文学では、星の色はその温度を示し、青い星は赤い星よりもはるかに熱くなります。

要素が輝線スペクトルを生成する方法

線スペクトルは、ガスまたはプラズマによって生成されます。原子は、互いに直接影響を与えないように十分に離れています。原子内の電子は、さまざまなエネルギーレベルで存在できます。原子内のすべての電子が最低エネルギーレベルにあるとき、原子は基底状態にあると言われます。電子はエネルギーを吸収するため、より高いエネルギーレベルにジャンプする場合があります。しかし、遅かれ早かれ、電子は最低レベルに戻り、原子は基底状態に戻り、エネルギーを電磁放射として放出します。

EMRのエネルギーは、電子の高い状態と低い状態の間のエネルギーの差に対応します。電子が高エネルギー状態から低エネルギー状態に低下すると、ジャンプのサイズによって放出される放射線の周波数が決まります。たとえば、青色のライトは、赤色のライトよりもエネルギーの低下が大きいことを示しています。

各要素には、電子と可能なエネルギーレベルの独自の配置があります。電子が特定の周波数の放射線を吸収すると、後で同じ周波数の放射線を放出します。吸収された放射線の波長がエネルギーレベルの初期ジャンプを決定するため、最終的に基底状態にジャンプします。このことから、任意の元素の原子は特定の特定の波長の放射のみを放出し、その元素に固有のパターンを形成することができます。

スペクトルの観察

分光器または分光計として知られる機器を使用して、発光スペクトルを観察します。プリズムまたは回折格子を使用して、光、場合によっては他の形式のEMRを異なる周波数に分割します。これにより、光源に応じて連続スペクトルまたは線スペクトルが得られます。

線放射スペクトルは、暗い背景に対して一連の色付きの線として表示されます。ラインの位置を記録することにより、分光学者は光源にどの要素が存在するかを発見できます。最も単純な元素である水素の発光スペクトルは、可視光の赤、青、紫の範囲にある一連の線で構成されています。多くの場合、他の要素にはより複雑なスペクトルがあります。

火炎試験

一部の要素は、主に1色のみの光を発します。これらの場合、 火炎試験を実行することにより、サンプル中の元素を特定することが可能です。これには、炎の中でサンプルを加熱し、蒸発させて固有の周波数で放射線を放出させ、炎にはっきりと見える色を与えることが含まれます。たとえば、ナトリウム元素は強い黄色を発します。この方法で多くの要素を簡単に識別できます。

分子スペクトル

分子全体が発光スペクトルを生成することもあります。これは、振動や回転の方法の変化に起因します。これらはより低いエネルギーを伴い、スペクトルの赤外線部分で放射を生成する傾向があります。天文学者は、赤外分光法を通じて宇宙でさまざまな興味深い分子を特定しており、この技術は有機化学でよく使用されています。

吸収スペクトル

発光スペクトルと吸収スペクトルを区別することが重要です。吸収スペクトルでは、いくつかの波長の光がガスを通過するときに吸収され、連続的な背景に対して暗い線のパターンを形成します。要素は、放出するのと同じ波長を吸収するため、これを使用して要素を識別できます。たとえば、金星の大気を通過する太陽からの光は、科学者が惑星の大気の組成を決定することを可能にする吸収スペクトルを生成します。