Co to jest spektrum emisji?

Widmo emisyjne to promieniowanie elektromagnetyczne (EMR), takie jak światło widzialne, które emituje substancja. Każdy element emituje unikalny odcisk światła, więc analiza częstotliwości tego światła pomaga zidentyfikować substancję chemiczną, która go wytworzyła. Ta procedura nazywa się spektroskopią emisyjną i jest bardzo przydatnym narzędziem naukowym. Jest wykorzystywany w astronomii do badania pierwiastków obecnych w gwiazdach oraz w analizie chemicznej.

Promieniowanie elektromagnetyczne można opisać w kategoriach jego długości fali - odległości między grzbietami fal - lub jego częstotliwości - liczby grzbietów, które mijają w danym czasie. Im wyższa energia promieniowania, tym krótsza będzie jego długość fali i wyższa będzie częstotliwość. Na przykład światło niebieskie ma wyższą energię, a zatem wyższą częstotliwość i krótszą długość fali niż światło czerwone.

Rodzaje widm

Istnieją dwa rodzaje widma emisji. Typ ciągły zawiera wiele częstotliwości łączących się ze sobą bez przerw, podczas gdy typ linii zawiera tylko kilka różnych częstotliwości. Gorące obiekty wytwarzają ciągłe widmo, podczas gdy gazy mogą absorbować energię, a następnie emitować ją na określonych długościach fal, tworząc widmo linii emisyjnej. Każdy pierwiastek chemiczny ma swoją unikalną sekwencję linii.

Jak powstaje spektrum ciągłe

Stosunkowo gęste substancje, gdy wystarczająco się rozgrzeją, emitują światło na wszystkich długościach fal. Atomy są stosunkowo blisko siebie, a gdy zyskują energię, poruszają się coraz więcej i zderzają się ze sobą, co daje szeroki zakres energii. Dlatego widmo składa się z EMR przy bardzo szerokim zakresie częstotliwości. Ilości promieniowania na różnych częstotliwościach różnią się w zależności od temperatury. Żelazny gwóźdź podgrzany w płomieniu zmieni kolor z czerwonego na żółty na biały w miarę wzrostu temperatury i emituje coraz większe ilości promieniowania przy krótszych długościach fal.

Tęcza jest przykładem ciągłego spektrum wytwarzanego przez Słońce. Kropelki wody działają jak pryzmaty, dzieląc światło słoneczne na różne długości fal.

Ciągłe widmo zależy całkowicie od temperatury przedmiotu, a nie od jego składu. W rzeczywistości kolory można opisać w kategoriach temperatury. W astronomii kolor gwiazdy pokazuje jej temperaturę, przy czym niebieskie gwiazdy są znacznie gorętsze niż czerwone.

Jak elementy wytwarzają widma linii emisji

Widmo liniowe jest wytwarzane przez gaz lub plazmę, gdzie atomy są wystarczająco daleko od siebie, aby nie oddziaływać bezpośrednio na siebie. Elektrony w atomie mogą istnieć na różnych poziomach energii. Kiedy wszystkie elektrony w atomie są na najniższym poziomie energii, mówi się, że atom jest w stanie podstawowym . Gdy pochłania energię, elektron może skoczyć na wyższy poziom energii. Wcześniej czy później elektron powróci do najniższego poziomu, a atom do stanu podstawowego, emitując energię jako promieniowanie elektromagnetyczne.

Energia EMR odpowiada różnicy energii między wyższym i niższym stanem elektronu. Kiedy elektron spada ze stanu wysokiego do niskiego poziomu energii, wielkość skoku określa częstotliwość emitowanego promieniowania. Na przykład światło niebieskie wskazuje na większy spadek energii niż światło czerwone.

Każdy element ma swój własny układ elektronów i możliwe poziomy energii. Gdy elektron absorbuje promieniowanie o określonej częstotliwości, później emituje promieniowanie o tej samej częstotliwości: długość fali pochłoniętego promieniowania określa początkowy skok poziomu energii, a zatem ostateczny skok do stanu podstawowego. Wynika z tego, że atomy dowolnego elementu mogą emitować promieniowanie tylko przy określonych długościach fal, tworząc wzór unikalny dla tego elementu.

Obserwacja widm

Do obserwacji widm emisyjnych służy instrument zwany spektroskopem lub spektrometrem. Wykorzystuje pryzmat lub siatkę dyfrakcyjną do podziału światła, a czasem innych form EMR, na ich różne częstotliwości. Może to dać widmo ciągłe lub liniowe, w zależności od źródła światła.

Widmo emisji liniowej pojawia się jako seria kolorowych linii na ciemnym tle. Obserwując pozycje linii, spektroskopista może odkryć, które pierwiastki są obecne w źródle światła. Widmo emisyjne wodoru, najprostszego elementu, składa się z szeregu linii w czerwonym, niebieskim i fioletowym zakresie światła widzialnego. Inne elementy często mają bardziej złożone widma.

Testy płomienia

Niektóre elementy emitują światło głównie tylko jednego koloru. W takich przypadkach możliwe jest zidentyfikowanie elementu w próbce poprzez wykonanie testu płomienia . Polega to na podgrzaniu próbki w płomieniu, powodując jej odparowanie i emitowanie promieniowania o charakterystycznych częstotliwościach oraz nadanie płomieniowi wyraźnie widocznego koloru. Na przykład element sodowy daje mocny żółty kolor. W ten sposób można łatwo zidentyfikować wiele elementów.

Widma molekularne

Całe cząsteczki mogą również wytwarzać widma emisyjne, które wynikają ze zmian w sposobie wibracji lub rotacji. Obejmują one niższe energie i mają tendencję do wytwarzania emisji w części widma w podczerwieni. Astronomowie zidentyfikowali szereg interesujących cząsteczek w przestrzeni za pomocą spektroskopii w podczerwieni, a technika ta jest często stosowana w chemii organicznej.

Widma absorpcyjne

Ważne jest, aby odróżnić widma emisyjne od widma absorpcyjnego. W widmie absorpcyjnym niektóre długości fali światła są pochłaniane, gdy przechodzą przez gaz, tworząc wzór ciemnych linii na ciągłym tle. Elementy absorbują te same długości fal, które emitują, więc można ich użyć do ich identyfikacji. Na przykład światło słoneczne przechodzące przez atmosferę Wenus wytwarza widmo absorpcyjne, które umożliwia naukowcom określenie składu atmosfery planety.