Emisijski spekter je elektromagnetno sevanje (EMR), kot je vidna svetloba, ki jo snov oddaja. Vsak element oddaja edinstven prstni odtis svetlobe, zato analiza frekvenc te svetlobe pomaga prepoznati kemikalijo, ki jo je ustvarila. Ta postopek se imenuje emisijska spektroskopija in je zelo uporabno znanstveno orodje. Uporablja se v astronomiji za preučevanje elementov, prisotnih v zvezdah, in v kemični analizi.
Elektromagnetno sevanje lahko opišemo v smislu njegove valovne dolžine – razdalje med vrhovi valov – ali njegove frekvence – števila vrhov, ki preidejo mimo v določenem času. Večja kot je energija sevanja, krajša je njegova valovna dolžina in višja bo njegova frekvenca. Modra svetloba ima na primer višjo energijo in zato višjo frekvenco in krajšo valovno dolžino kot rdeča svetloba.
Vrste spektrov
Obstajata dve vrsti emisijskega spektra. Neprekinjen tip vsebuje veliko frekvenc, ki se zlijejo med seboj brez vrzeli, medtem ko vrstica vsebuje le nekaj različnih frekvenc. Vroči predmeti proizvajajo neprekinjen spekter, medtem ko lahko plini absorbirajo energijo, nato jo oddajajo na določenih valovnih dolžinah in tvorijo spekter emisijske črte. Vsak kemični element ima svoje edinstveno zaporedje vrstic.
Kako se proizvaja neprekinjen spekter
Relativno goste snovi, ko se dovolj segrejejo, oddajajo svetlobo na vseh valovnih dolžinah. Atomi so relativno blizu drug drugemu in ko pridobivajo energijo, se več premikajo in trkajo drug ob drugega, kar ima za posledico širok razpon energij. Spekter je torej sestavljen iz EMR v zelo širokem razponu frekvenc. Količine sevanja pri različnih frekvencah se razlikujejo glede na temperaturo. Železen žebelj, segret v plamenu, bo prešel iz rdeče v rumeno v belo, ko se njegova temperatura poveča in oddaja vse večje količine sevanja pri krajših valovnih dolžinah.
Mavrica je primer neprekinjenega spektra, ki ga proizvaja Sonce. Vodne kapljice delujejo kot prizme in delijo sončno svetlobo na različne valovne dolžine.
Neprekinjen spekter je v celoti določen s temperaturo predmeta in ne z njegovo sestavo. Pravzaprav lahko barve opišemo s temperaturo. V astronomiji barva zvezde razkriva njeno temperaturo, modre zvezde pa so veliko bolj vroče od rdečih.
Kako Elementi proizvajajo spektre emisijskih linij
Linijski spekter proizvaja plin ali plazma, kjer so atomi dovolj oddaljeni, da ne vplivajo neposredno drug na drugega. Elektroni v atomu lahko obstajajo na različnih energijskih ravneh. Ko so vsi elektroni v atomu na najnižji energijski ravni, naj bi bil atom v osnovnem stanju. Ko absorbira energijo, lahko elektron skoči na višjo energijsko raven. Prej ali slej pa se bo elektron vrnil na najnižjo raven, atom pa v osnovno stanje in oddajal energijo kot elektromagnetno sevanje.
Energija EMR ustreza razliki v energiji med višjim in nižjim stanjem elektrona. Ko elektron pade iz visokega v nizkoenergetsko stanje, velikost skoka določa frekvenco oddanega sevanja. Modra svetloba na primer kaže na večji padec energije kot rdeča svetloba.
Vsak element ima svojo razporeditev elektronov in možne energijske nivoje. Ko elektron absorbira sevanje določene frekvence, bo kasneje oddajal sevanje na isti frekvenci: valovna dolžina absorbiranega sevanja določa začetni skok energetske ravni in s tem morebitni skok nazaj v osnovno stanje. Iz tega sledi, da lahko atomi katerega koli elementa oddajajo sevanje le pri določenih določenih valovnih dolžinah in tvorijo vzorec, ki je edinstven za ta element.
Opazovanje spektrov
Za opazovanje emisijskih spektrov se uporablja instrument, znan kot spektroskop ali spektrometer. Uporablja prizmo ali difrakcijsko rešetko za razdelitev svetlobe in včasih drugih oblik EMR na njihove različne frekvence. To lahko daje neprekinjen ali linijski spekter, odvisno od vira svetlobe.
Črtni emisijski spekter je prikazan kot niz barvnih črt na temnem ozadju. Z opazovanjem položajev črt lahko spektroskopist odkrije, kateri elementi so prisotni v viru svetlobe. Emisijski spekter vodika, najpreprostejšega elementa, je sestavljen iz niza črt v rdečem, modrem in vijoličnem območju vidne svetlobe. Drugi elementi imajo pogosto bolj zapletene spektre.
Plamenski testi
Nekateri elementi oddajajo svetlobo večinoma samo ene barve. V teh primerih je mogoče element v vzorcu identificirati z izvedbo plamenskega testa. To vključuje segrevanje vzorca v plamenu, kar povzroči, da izhlapi in odda sevanje na svojih značilnih frekvencah ter plamenu da jasno vidno barvo. Element natrij, na primer, daje močno rumeno barvo. Na ta način je mogoče zlahka prepoznati številne elemente.
Molekularni spektri
Cele molekule lahko proizvajajo tudi emisijske spektre, ki so posledica sprememb v načinu njihovega vibriranja ali vrtenja. Ti vključujejo nižje energije in ponavadi proizvajajo emisije v infrardečem delu spektra. Astronomi so z infrardečo spektroskopijo identificirali različne zanimive molekule v vesolju, tehnika pa se pogosto uporablja v organski kemiji.
Absorpcijski spektri
Pomembno je razlikovati med emisijskimi in absorpcijskimi spektri. V absorpcijskem spektru se nekatere valovne dolžine svetlobe absorbirajo, ko prehajajo skozi plin in tvorijo vzorec temnih črt na neprekinjenem ozadju. Elementi absorbirajo iste valovne dolžine, kot jih oddajajo, zato jih je mogoče uporabiti za identifikacijo. Na primer, sončna svetloba, ki prehaja skozi atmosfero Venere, ustvari absorpcijski spekter, ki omogoča znanstvenikom, da določijo sestavo atmosfere planeta.