O que é um espectro de emissão?

Um espectro de emissão é a radiação eletromagnética (EMR), como a luz visível, emitida por uma substância. Todos os elementos emitem uma impressão digital única da luz, portanto, analisar as frequências dessa luz ajuda a identificar o produto químico que a gerou. Este procedimento é chamado espectroscopia de emissão e é uma ferramenta científica muito útil. É usado na astronomia para estudar os elementos presentes nas estrelas e nas análises químicas.

A radiação eletromagnética pode ser descrita em termos de seu comprimento de onda - a distância entre as cristas das ondas - ou sua frequência - o número de cristas que passam em um determinado período de tempo. Quanto maior a energia da radiação, menor será o comprimento de onda e maior será a frequência. A luz azul, por exemplo, tem uma energia mais alta e, portanto, uma frequência mais alta e um comprimento de onda menor que a luz vermelha.

Tipos de espectros

Existem dois tipos de espectro de emissão. O tipo contínuo contém muitas frequências que se fundem entre si, sem intervalos, enquanto o tipo de linha contém apenas algumas frequências distintas. Objetos quentes produzem um espectro contínuo, enquanto os gases podem absorver energia e depois a emitem em certos comprimentos de onda específicos, formando um espectro de linha de emissão. Cada elemento químico tem sua própria sequência única de linhas.

Como é produzido um espectro contínuo

Substâncias relativamente densas, quando ficam quentes o suficiente, emitem luz em todos os comprimentos de onda. Os átomos estão relativamente próximos e, à medida que ganham energia, movem-se mais e batem uns contra os outros, resultando em uma ampla gama de energias. O espectro, portanto, consiste em EMR em uma faixa muito ampla de frequências. As quantidades de radiação em diferentes frequências variam com a temperatura. Um prego de ferro aquecido em uma chama passará de vermelho para amarelo e branco à medida que sua temperatura aumenta e emite quantidades crescentes de radiação em comprimentos de onda mais curtos.

Um arco-íris é um exemplo do espectro contínuo produzido pelo Sol. Gotas de água agem como prismas, dividindo a luz do Sol em seus vários comprimentos de onda.

O espectro contínuo é determinado inteiramente pela temperatura de um objeto e não por sua composição. De fato, as cores podem ser descritas em termos de temperatura. Na astronomia, a cor de uma estrela revela sua temperatura, com estrelas azuis sendo muito mais quentes que as vermelhas.

Como os elementos produzem espectros de linha de emissão

Um espectro de linha é produzido por gás ou plasma, onde os átomos estão suficientemente distantes para não se influenciarem diretamente. Os elétrons em um átomo podem existir em diferentes níveis de energia. Quando todos os elétrons em um átomo estão em seu nível mais baixo de energia, diz-se que o átomo está em seu estado fundamental . À medida que absorve energia, um elétron pode pular para um nível de energia mais alto. Mais cedo ou mais tarde, no entanto, o elétron retornará ao seu nível mais baixo e o átomo ao seu estado fundamental, emitindo energia como radiação eletromagnética.

A energia do EMR corresponde à diferença de energia entre os estados superior e inferior do elétron. Quando um elétron cai de um estado de energia alto para baixo, o tamanho do salto determina a frequência da radiação emitida. A luz azul, por exemplo, indica uma queda maior de energia que a luz vermelha.

Cada elemento tem seu próprio arranjo de elétrons e possíveis níveis de energia. Quando um elétron absorve radiação de uma frequência específica, mais tarde emitirá radiação na mesma frequência: o comprimento de onda da radiação absorvida determina o salto inicial no nível de energia e, portanto, o salto eventual de volta ao estado fundamental. Daqui resulta que os átomos de qualquer elemento só podem emitir radiação em certos comprimentos de onda específicos, formando um padrão único para esse elemento.

Observando espectros

Um instrumento conhecido como espectroscópio ou espectrômetro é usado para observar espectros de emissão. Ele usa uma grade de prisma ou difração para dividir a luz e, às vezes, outras formas de EMR, em suas diferentes frequências. Isso pode gerar um espectro contínuo ou linear, dependendo da fonte de luz.

Um espectro de emissão de linha aparece como uma série de linhas coloridas contra um fundo escuro. Ao observar as posições das linhas, um espectroscopista pode descobrir quais elementos estão presentes na fonte de luz. O espectro de emissão de hidrogênio, o elemento mais simples, consiste em uma série de linhas nas faixas vermelha, azul e violeta da luz visível. Outros elementos geralmente têm espectros mais complexos.

Testes de chama

Alguns elementos emitem luz principalmente de apenas uma cor. Nesses casos, é possível identificar o elemento em uma amostra executando um teste de chama . Isso envolve o aquecimento da amostra em uma chama, fazendo com que ela vaporize e emita radiação em suas frequências características e dê uma cor claramente visível à chama. O elemento sódio, por exemplo, dá uma cor amarela forte. Muitos elementos podem ser facilmente identificados dessa maneira.

Espectros Moleculares

Moléculas inteiras também podem produzir espectros de emissão, que resultam de mudanças na maneira como vibram ou giram. Elas envolvem energias mais baixas e tendem a produzir emissões na parte infravermelha do espectro. Os astrônomos identificaram uma variedade de moléculas interessantes no espaço através da espectroscopia no infravermelho, e a técnica é frequentemente usada na química orgânica.

Espectros de absorção

É importante distinguir entre espectros de emissão e absorção. Em um espectro de absorção, alguns comprimentos de onda da luz são absorvidos à medida que passam através de um gás, formando um padrão de linhas escuras contra um fundo contínuo. Os elementos absorvem os mesmos comprimentos de onda que eles emitem, portanto, isso pode ser usado para identificá-los. Por exemplo, a luz do Sol que passa através da atmosfera de Vênus produz um espectro de absorção que permite aos cientistas determinar a composição da atmosfera do planeta.