Spektroskop je znanstveni instrument, ki deli svetlobo na različne valovne dolžine, ki jih ljudje vidijo kot različne barve. Vijolična ima najkrajšo valovno dolžino, ki jo ljudje lahko vidijo, rdeča pa najdaljšo. Ta instrument lahko prepozna tudi valovne dolžine, ki jih ljudje ne vidijo, na primer infrardeče in ultravijolično sevanje. Svetloba običajno vsebuje mešanico različnih valovnih dolžin; s preučevanjem teh lahko znanstveniki odkrijejo koristne informacije, kot so kemični elementi, ki so prisotni pri viru svetlobe. Spektroskopi se pogosto uporabljajo v astronomiji, kemiji in drugih področjih.
Vrste spektroskopa in kako delujejo
Joseph von Fraunhofer, nemški optik, je izumil spektroskop leta 1814. V svoji zgodnji obliki je uporabljal lečo za fokusiranje vhodne svetlobe in prizmo za razdelitev svetlobe z lomom. Kasneje pa je Fraunhofer prizmo zamenjal z napravo, sestavljeno iz številnih ozkih, vzporednih rež, znanih kot difrakcijska rešetka. To je razpršilo različne valovne dolžine svetlobe z različnimi količinami in je imelo prednost, da je opazovalcu omogočilo dejansko merjenje valovnih dolžin, kar ni bilo mogoče z uporabo prizme. Fraunhofer je s svojimi spektroskopi preučeval svetlobo iz različnih virov, vključno s plameni, vročimi materiali ter Soncem, planeti in zvezdami.
Sodobni spektroskopi so na voljo v več vrstah, odvisno od njihovega namena. Preprosta ročna naprava uporablja majhno difrakcijsko rešetko ali prizmo in je lahko prenosljiva. Zasnovan je za uporabo na terenu in se lahko uporablja na primer za identifikacijo dragih kamnov in mineralov. V astronomiji bi se spektroskop običajno uporabljal s teleskopom za analizo svetlobe oddaljenih, šibkih predmetov; ti instrumenti so ponavadi težki in obsežni.
Obstajajo tudi drugi instrumenti, ki opravljajo enako delo kot spektroskop in delujejo po istem principu. Ti se razlikujejo predvsem v načinu snemanja spektra. Sodobni spektrometer proizvaja digitalno sliko spektra, spektrofotometer pa jo beleži elektronsko, spektrograf pa je bolj splošno ime za instrument, ki proizvaja in beleži spekter. Ti izrazi se včasih uporabljajo zamenljivo in “spektroskop” lahko opiše katerega koli od njih.
Nekatere naprave lahko proizvajajo spektre za elektromagnetno sevanje z valovnimi dolžinami, ki presegajo meje vidne svetlobe. Ker tega sevanja ni mogoče neposredno opazovati, je treba spektre zabeležiti s posebnimi detektorji. Uporabljajo se za preučevanje infrardečega in ultravijoličnega sevanja.
Infrardeči spektroskop lahko uporablja nastavljiv monokromator za izolacijo vsake valovne dolžine, ki nas zanima, ali, pogosteje, interferometer. To razdeli dohodno sevanje na dva žarka. Zrcalo, ki se premika, spreminja dolžino enega žarka, tako da, ko sta združena, ustvarita interferenčni vzorec. Analiza vzorca razkrije različne valovne dolžine, ki so prisotne. Prednost metode interferometra je, da zazna vse valovne dolžine v enem prehodu.
Vrste spektra
Snovi, ki oddajajo svetlobo, proizvajajo emisijski spekter. Vroče, žareče trdne snovi – kot je belo vroča kovina – oddajajo svetlobo na vseh valovnih dolžinah in ustvarjajo neprekinjen spekter, kjer se barve zlijejo ena v drugo. Po drugi strani pa zelo vroči plini proizvajajo linijski spekter, ki je sestavljen iz barvnih črt na temnem ozadju. To je zato, ker oddajajo svetlobo le pri določenih valovnih dolžinah, odvisno od kemičnih elementov, ki so prisotni.
Vsak element ima svoj edinstven vzorec črt. Natrij, na primer, proizvaja močne črte v rumenem delu spektra. To lahko vidimo tako, da sol (natrijev klorid) potresemo v plamen, ki ji da značilno rumeno barvo.
Absorpcijski spekter nastane, ko svetlobo na določenih valovnih dolžinah absorbira plin ali tekočina, skozi katero prehaja. Vsak kemični element absorbira le določene specifične valovne dolžine – iste tiste, ki jih oddaja kot vroč plin -, zato se lahko za identifikacijo elementov uporabljajo tudi absorpcijski spektri. Absorpcijski spekter je sestavljen iz temnih črt na svetlem ozadju neprekinjenega spektra.
Sonce proizvaja neprekinjen spekter s številnimi temnimi absorpcijskimi črtami. Proces jedrske fuzije v Sončevem jedru sprošča svetlobo na številnih valovnih dolžinah, vendar nekatere od njih absorbirajo različni elementi, ko svetloba potuje na površino in nastane temne črte. Znanstveniki so na ta način lahko določili kemično sestavo Sonca. Element helij, ki ga na Zemlji še nikoli niso opazili, je bil najprej identificiran po njegovih absorpcijskih linijah v Sončevem spektru.
Spektroskopija v astronomiji
Astronomi uporabljajo spektroskope, da ugotovijo, kateri elementi so prisotni v zvezdah, v ozračju planetov in v medzvezdnem prostoru. Ugotovljeno je bilo, da se zvezde razlikujejo po sestavi in jih je mogoče razvrstiti glede na njihove spektre. Spektroskopi so raziskovalcem omogočili, da ugotovijo, kateri elementi so prisotni v atmosferah drugih planetov v sončnem sistemu. Astronomi bodo morda lahko analizirali atmosfero eksoplanetov, ki krožijo okoli drugih zvezd; če bi odkrili kisik, bi bil to močan pokazatelj življenja.
Preiskava svetlobe iz drugih galaksij je pokazala, da so v večini primerov spektralne črte elementov premaknjene proti daljši valovni dolžini, rdečemu koncu spektra, pojav, znan kot rdeči premik. Najbolj oddaljene galaksije kažejo največje rdeče premike in večina astronomov verjame, da je to zato, ker se vesolje širi. Ko se prostor med dvema objektoma poveča, se svetloba, ki potuje med njima, raztegne, kar povzroči daljše valovne dolžine.
Spektri zelo oddaljenih predmetov, oddaljenih milijarde svetlobnih let, so premaknjeni izven obsega vidne svetlobe v infrardečo območje. Zaradi tega je treba za njihovo analizo uporabiti infrardečo spektroskopijo. Molekule proizvajajo infrardeče sevanje na značilnih valovnih dolžinah, ko vibrirajo ali se vrtijo. To metodo je zato mogoče uporabiti za identifikacijo molekul, prisotnih v plinskih oblakih, ki plavajo v medzvezdnem prostoru. Astronomi so na ta način odkrili vodo, metan in amoniak v plinskih oblakih.
Spektroskopija v kemiji
V kemiji lahko spektroskopi identificirajo elemente, ki so prisotni v vzorcu materiala. Močno segrevanje vzorca, na primer v plamenu, ga spremeni v vroč, žareč plin, ki proizvaja emisijski linijski spekter. Kemiki lahko nato to preučijo, da identificirajo elemente. Ta metoda je privedla do odkritja številnih elementov v periodnem sistemu. Druga možnost je, da spektroskopija zajame absorpcijski spekter tekočine, ko skozenj sije svetloba.
Kemiki lahko s spektroskopijo identificirajo kemične spojine in elemente. V tem pogledu je še posebej uporabna infrardeča spektroskopija, ki se pogosto uporablja v organski kemiji, biokemiji in forenzični kemiji.