Vad är ett utsläppsspektrum?

Ett emisspektrum är den elektromagnetiska strålningen (EMR), såsom synligt ljus, ett ämne avger. Varje element avger ett unikt fingeravtryck av ljus, så att analysera frekvenserna för detta ljus hjälper till att identifiera kemikalien som genererade det. Denna procedur kallas emissionspektroskopi och är ett mycket användbart vetenskapligt verktyg. Det används i astronomi för att studera de element som finns i stjärnor och i kemisk analys.

Elektromagnetisk strålning kan beskrivas i termer av dess våglängd - avståndet mellan vågornas krönor - eller dess frekvens - antalet krönar som passerar under en viss tid. Ju högre strålningsenergi är, desto kortare är våglängden och desto högre blir frekvensen. Blått ljus har till exempel en högre energi och därför en högre frekvens och kortare våglängd än rött ljus.

Typer av spektra

Det finns två typer av utsläppsspektrum. Den kontinuerliga typen innehåller många frekvenser som smälter in i varandra utan mellanrum, medan linjetypen bara innehåller några få distinkta frekvenser. Varma föremål producerar ett kontinuerligt spektrum, medan gaser kan absorbera energi och sedan avge den vid vissa specifika våglängder och bilda ett emissionslinjespektrum. Varje kemiskt element har sin egen unika sekvens av linjer.

Hur ett kontinuerligt spektrum produceras

Relativt täta ämnen avger ljus vid alla våglängder när de blir tillräckligt varma. Atomerna är relativt nära varandra och när de får energi rör sig de mer och stöter mot varandra, vilket resulterar i ett brett spektrum av energier. Spektrumet består därför av EMR vid ett mycket brett frekvensområde. Strålmängderna vid olika frekvenser varierar med temperaturen. En järnspik som värms upp i en låga går från röd till gul till vit när temperaturen ökar och den avger ökande mängder strålning vid kortare våglängder.

En regnbåge är ett exempel på det kontinuerliga spektrum som produceras av solen. Vattendropparna fungerar som prismor och delar solens ljus i dess olika våglängder.

Det kontinuerliga spektrumet bestäms helt av temperaturen hos ett föremål och inte av dess sammansättning. Faktum är att färger kan beskrivas i termer av temperatur. I astronomi avslöjar en stjärns färg dess temperatur, med blå stjärnor som är mycket varmare än röda.

Hur element producerar emissionslinjer

Ett linjespektrum produceras av gas eller plasma, där atomerna är tillräckligt långt ifrån varandra för att inte påverka varandra direkt. Elektronerna i en atom kan existera på olika energinivåer. När alla elektroner i en atom är på sin lägsta energinivå sägs atomen vara i dess jordtillstånd . När den absorberar energi kan en elektron hoppa till en högre energinivå. Förr eller senare kommer emellertid elektroniken att återgå till sin lägsta nivå, och atomen till dess marktillstånd, och emitterar energi som elektromagnetisk strålning.

EMR: s energi motsvarar skillnaden i energi mellan elektronens högre och lägre tillstånd. När en elektron sjunker från ett högt till lågt energitillstånd bestämmer hoppstorleken frekvensen för strålningen som släpps ut. Blått ljus, till exempel, indikerar en större minskning av energi än rött ljus.

Varje element har sitt eget arrangemang av elektroner och möjliga energinivåer. När en elektron absorberar strålning med en viss frekvens, kommer den senare att avge strålning med samma frekvens: våglängden för den absorberade strålningen bestämmer det initiala hoppet i energinivån, och därmed det eventuella hoppet tillbaka till marktillståndet. Av detta följer att atomer i vilket givet element som helst endast kan avge strålning vid vissa specifika våglängder och bilda ett mönster unikt för det elementet.

Observera Spectra

Ett instrument känt som ett spektroskop eller spektrometer används för att observera utsläppsspektra. Det använder ett prisma eller diffraktionsgaller för att dela ljus, och ibland andra former av EMR, i deras olika frekvenser. Detta kan ge ett kontinuerligt eller linjespektrum, beroende på ljuskällan.

Ett linjeemissionsspektrum visas som en serie färgade linjer mot mörk bakgrund. Genom att notera linjernas positioner kan en spektroskopist upptäcka vilka element som finns i ljuskällan. Utsläppsspektrumet för väte, det enklaste elementet, består av en serie linjer i det röda, blå och violetta området med synligt ljus. Andra element har ofta mer komplexa spektra.

Flammetester

Vissa element avger ljus främst av bara en färg. I dessa fall är det möjligt att identifiera elementet i ett prov genom att utföra ett lågtest . Detta innebär att provet upphettas i en låga, vilket får det att förångas och avge strålning vid dess karakteristiska frekvenser och ge en klart synlig färg till lågan. Elementet natrium ger till exempel en stark gul färg. Många element kan lätt identifieras på detta sätt.

Molekylär spektra

Hela molekyler kan också producera emissionsspektra, som är resultatet av förändringar i hur de vibrerar eller roterar. Dessa involverar lägre energier och tenderar att producera utsläpp i den infraröda delen av spektrumet. Astronomer har identifierat en mängd intressanta molekyler i rymden genom infraröd spektroskopi, och tekniken används ofta inom organisk kemi.

Absorptionsspektra

Det är viktigt att skilja mellan emission- och absorptionsspektra. I ett absorptionsspektrum absorberas vissa våglängder av ljus när de passerar genom en gas och bildar ett mönster av mörka linjer mot en kontinuerlig bakgrund. Element absorberar samma våglängder som de avger, så det kan användas för att identifiera dem. Till exempel producerar ljus från solen som passerar genom atmosfären i Venus ett absorptionsspektrum som gör det möjligt för forskare att bestämma sammansättningen av planetens atmosfär.