Hva er et utslippspektrum?

Et emisjonsspektrum er den elektromagnetiske strålingen (EMR), så som synlig lys, et stoff avgir. Hvert element avgir et unikt fingeravtrykk av lys, så å analysere frekvensene til dette lyset er med på å identifisere kjemikaliet som genererte det. Denne prosedyren kalles emisjonsspektroskopi og er et veldig nyttig vitenskapelig verktøy. Det brukes i astronomi for å studere elementene som er til stede i stjerner og i kjemisk analyse.

Elektromagnetisk stråling kan beskrives med tanke på dens bølgelengde - avstanden mellom bølgene er - eller dens frekvens - antall crests som går forbi i en gitt tidsperiode. Jo høyere strålingsenergi, jo kortere er bølgelengden og desto høyere blir frekvensen. Blått lys har for eksempel en høyere energi og derfor en høyere frekvens og kortere bølgelengde enn rødt lys.

Typer spektra

Det er to typer utslippspektrum. Den kontinuerlige typen inneholder mange frekvenser som fusjonerer inn i hverandre uten mellomrom, mens linjetypen inneholder bare noen få forskjellige frekvenser. Varme gjenstander produserer et kontinuerlig spektrum, mens gasser kan absorbere energi og deretter avgi det ved bestemte bølgelengder, og danne et emisjonslinjespektrum. Hvert kjemisk element har sin egen unike sekvens av linjer.

Hvordan produseres et kontinuerlig spektrum

Forholdsvis tette stoffer, når de blir varme nok, avgir lys på alle bølgelengder. Atomene er relativt nærme hverandre, og når de får energi, beveger de seg mer og støter mot hverandre, noe som resulterer i et bredt spekter av energier. Spekteret består derfor av EMR på et veldig bredt spekter av frekvenser. Mengden av stråling ved forskjellige frekvenser varierer med temperatur. En jernspiker som er oppvarmet i en flamme vil gå fra rød til gul til hvit når temperaturen øker og den avgir økende mengde stråling ved kortere bølgelengder.

En regnbue er et eksempel på det kontinuerlige spekteret produsert av solen. Vanndråper fungerer som prismer, og deler solens lys i de forskjellige bølgelengdene.

Det kontinuerlige spekteret bestemmes helt av temperaturen til en gjenstand og ikke av dens sammensetning. Faktisk kan farger beskrives når det gjelder temperatur. I astronomi avslører en stjerners farge temperaturen, med blå stjerner som er mye varmere enn røde.

Hvordan elementer produserer utslippslinjespekter

Et linjespektrum produseres av gass eller plasma, der atomene er langt nok fra hverandre til ikke å påvirke hverandre direkte. Elektronene i et atom kan eksistere på forskjellige energinivåer. Når alle elektronene i et atom er på sitt laveste energinivå, sies atomet er i sin grunntilstand . Når det tar opp energi, kan et elektron hoppe til et høyere energinivå. Før eller siden vil imidlertid elektronet komme tilbake til sitt laveste nivå, og atomet til sin grunntilstand, og avgir energi som elektromagnetisk stråling.

EMR-energien tilsvarer forskjellen i energi mellom elektronens høyere og lavere tilstand. Når et elektron synker fra en høy til lav energitilstand, avgjør størrelsen på hoppet frekvensen av strålingen som sendes ut. Blått lys indikerer for eksempel et større fall i energi enn rødt lys.

Hvert element har sin egen ordning av elektroner og mulige energinivåer. Når et elektron absorberer stråling med en bestemt frekvens, vil det senere avgi stråling med samme frekvens: bølgelengden til den absorberte strålingen bestemmer det innledende hopp i energinivå, og derfor eventuelt hopp tilbake til grunntilstanden. Det følger av dette at atomer fra et gitt element bare kan avgi stråling ved bestemte bølgelengder, og danne et mønster unikt for dette elementet.

Å observere Spectra

Et instrument kjent som et spektroskop eller spektrometer brukes til å observere utslippsspektre. Den bruker et prisme eller diffraksjonsgitter for å dele lys, og noen ganger andre former for EMR, i deres forskjellige frekvenser. Dette kan gi et kontinuerlig eller linjespektrum, avhengig av lyskilden.

Et linjeutslippspektrum vises som en serie fargede linjer mot en mørk bakgrunn. Ved å legge merke til linjenees posisjoner, kan en spektroskopist oppdage hvilke elementer som er til stede i lyskilden. Utslippsspekteret av hydrogen, det enkleste elementet, består av en serie linjer i det røde, blå og fiolette området synlig lys. Andre elementer har ofte mer sammensatte spektra.

Flammetester

Noen elementer avgir lys hovedsakelig av bare en farge. I disse tilfellene er det mulig å identifisere elementet i en prøve ved å utføre en flammetest . Dette innebærer å varme opp prøven i en flamme, forårsake at den fordamper og avgir stråling ved sine karakteristiske frekvenser og gir en tydelig synlig farge til flammen. Elementet natrium gir for eksempel en sterk gul farge. Mange elementer kan lett identifiseres på denne måten.

Molekylær spektra

Hele molekyler kan også produsere emisjonsspektre, som er et resultat av endringer i måten de vibrerer eller roterer på. Disse involverer lavere energier og har en tendens til å produsere utslipp i den infrarøde delen av spekteret. Astronomer har identifisert en rekke interessante molekyler i verdensrommet gjennom infrarød spektroskopi, og teknikken brukes ofte i organisk kjemi.

Absorpsjonsspektra

Det er viktig å skille mellom emisjons- og absorpsjonsspektre. I et absorpsjonsspekter absorberes noen bølgelengder av lys når de passerer gjennom en gass, og danner et mønster av mørke linjer mot en kontinuerlig bakgrunn. Element absorberer de samme bølgelengdene som de avgir, så dette kan brukes til å identifisere dem. For eksempel produserer lys fra solen som passerer gjennom atmosfæren til Venus, et absorpsjonsspektrum som lar forskere bestemme sammensetningen av planetens atmosfære.