Wat is een emissiespectrum?
Een emissiespectrum is de elektromagnetische straling (EMR), zoals zichtbaar licht, dat een stof uitzendt. Elk element geeft een unieke vingerafdruk van licht af, dus het analyseren van de frequenties van dit licht helpt bij het identificeren van de chemische stof die het heeft gegenereerd. Deze procedure wordt emissiespectroscopie genoemd en is een zeer nuttig wetenschappelijk hulpmiddel. Het wordt in de astronomie gebruikt om de elementen in sterren en in chemische analyse te bestuderen.
Elektromagnetische straling kan worden beschreven in termen van de golflengte - de afstand tussen de toppen van de golven - of de frequentie ervan - het aantal toppen dat in een bepaalde tijd voorbijgaat. Hoe hoger de energie van de straling, hoe korter de golflengte en hoe hoger de frequentie zal zijn. Blauw licht heeft bijvoorbeeld een hogere energie en daarom een hogere frequentie en kortere golflengte dan rood licht.
Soorten Spectra
Er zijn twee soorten emissiespectrum. Het continue type bevat veel frequenties die zonder gaten in elkaar overgaan, terwijl het lijntype slechts een paar verschillende frequenties bevat. Hete objecten produceren een continu spectrum, terwijl gassen energie kunnen absorberen en deze vervolgens op bepaalde specifieke golflengtes uitzenden, waardoor een emissielijnspectrum wordt gevormd. Elk chemisch element heeft zijn eigen unieke reeks lijnen.
Hoe een continu spectrum wordt geproduceerd
Relatief dichte stoffen zenden, wanneer ze heet genoeg worden, licht uit op alle golflengten. De atomen liggen relatief dicht bij elkaar en als ze energie winnen, bewegen ze meer en botsen tegen elkaar, wat resulteert in een breed scala aan energieën. Het spectrum bestaat daarom uit EMR met een zeer breed frequentiebereik. De hoeveelheden straling bij verschillende frequenties variëren met de temperatuur. Een ijzeren spijker die in een vlam wordt verhit, gaat van rood naar geel naar wit naarmate de temperatuur stijgt en hij straalt steeds grotere hoeveelheden straling uit bij kortere golflengten.
Een regenboog is een voorbeeld van het continue spectrum dat door de zon wordt geproduceerd. Waterdruppeltjes fungeren als prisma's en splitsen het licht van de zon in zijn verschillende golflengtes.
Het continue spectrum wordt volledig bepaald door de temperatuur van een object en niet door de samenstelling ervan. In feite kunnen kleuren worden beschreven in termen van temperatuur. In de astronomie onthult de kleur van een ster zijn temperatuur, waarbij blauwe sterren veel heter zijn dan rode.
Hoe elementen emissielijnspectra produceren
Een lijnspectrum wordt geproduceerd door gas of plasma, waarbij de atomen ver genoeg uit elkaar liggen om elkaar niet rechtstreeks te beïnvloeden. De elektronen in een atoom kunnen op verschillende energieniveaus bestaan. Wanneer alle elektronen in een atoom op hun laagste energieniveau zijn, wordt gezegd dat het atoom zich in zijn grondtoestand bevindt . Terwijl het energie absorbeert, kan een elektron naar een hoger energieniveau springen. Vroeg of laat keert het elektron echter terug naar zijn laagste niveau en het atoom naar zijn grondtoestand, waarbij het energie uitzendt als elektromagnetische straling.
De energie van de EMR komt overeen met het verschil in energie tussen de hogere en lagere toestanden van het elektron. Wanneer een elektron van een hoge naar een lage energietoestand zakt, bepaalt de grootte van de sprong de frequentie van de uitgezonden straling. Blauw licht geeft bijvoorbeeld een grotere energiedaling aan dan rood licht.
Elk element heeft zijn eigen opstelling van elektronen en mogelijke energieniveaus. Wanneer een elektron straling van een bepaalde frequentie absorbeert, zal het later straling met dezelfde frequentie uitzenden: de golflengte van de geabsorbeerde straling bepaalt de eerste sprong in energieniveau, en dus de uiteindelijke sprong terug naar de grondtoestand. Hieruit volgt dat atomen van een bepaald element alleen straling kunnen uitzenden op bepaalde specifieke golflengten, waardoor een patroon wordt gevormd dat uniek is voor dat element.
Spectra observeren
Een instrument dat bekend staat als een spectroscoop of spectrometer wordt gebruikt om emissiespectra te observeren. Het gebruikt een prisma of diffractierooster om licht, en soms andere vormen van EMR, in hun verschillende frequenties te splitsen. Dit kan een continu of lijnenspectrum geven, afhankelijk van de lichtbron.
Een lijnemissiespectrum verschijnt als een reeks gekleurde lijnen tegen een donkere achtergrond. Door de posities van de lijnen te noteren, kan een spectroscopist ontdekken welke elementen aanwezig zijn in de lichtbron. Het emissiespectrum van waterstof, het eenvoudigste element, bestaat uit een reeks lijnen in het rode, blauwe en violette bereik van zichtbaar licht. Andere elementen hebben vaak meer complexe spectra.
Vlamtesten
Sommige elementen stralen voornamelijk licht uit van slechts één kleur. In deze gevallen is het mogelijk om het element in een monster te identificeren door een vlamtest uit te voeren . Dit houdt in dat het monster in een vlam wordt verwarmd, waardoor het verdampt en straling uitzendt op zijn karakteristieke frequenties en een duidelijk zichtbare kleur aan de vlam geeft. Het element natrium geeft bijvoorbeeld een sterke gele kleur. Veel elementen kunnen op deze manier gemakkelijk worden geïdentificeerd.
Molecular Spectra
Hele moleculen kunnen ook emissiespectra produceren, die het gevolg zijn van veranderingen in de manier waarop ze trillen of roteren. Deze omvatten lagere energieën en hebben de neiging om emissies te produceren in het infrarode deel van het spectrum. Astronomen hebben een verscheidenheid aan interessante moleculen in de ruimte geïdentificeerd via infraroodspectroscopie, en de techniek wordt vaak gebruikt in de organische chemie.
Absorptiespectra
Het is belangrijk om onderscheid te maken tussen emissie- en absorptiespectra. In een absorptiespectrum worden sommige golflengten van licht geabsorbeerd terwijl ze door een gas passeren en een patroon van donkere lijnen vormen tegen een continue achtergrond. Elementen absorberen dezelfde golflengten die ze uitzenden, dus dit kan worden gebruikt om ze te identificeren. Licht van de zon dat door de atmosfeer van Venus gaat, produceert bijvoorbeeld een absorptiespectrum waarmee wetenschappers de samenstelling van de atmosfeer van de planeet kunnen bepalen.