Ett emissionsspektrum är den elektromagnetiska strålningen (EMR), såsom synligt ljus, ett ämne avger. Varje element avger ett unikt fingeravtryck av ljus, så att analysera frekvenserna av detta ljus hjälper till att identifiera kemikalien som genererade det. Denna procedur kallas emissionsspektroskopi och är ett mycket användbart vetenskapligt verktyg. Det används inom astronomi för att studera de grundämnen som finns i stjärnor och i kemisk analys.
Elektromagnetisk strålning kan beskrivas i termer av dess våglängd – avståndet mellan vågtopparna – eller dess frekvens – antalet toppar som passerar under en given tid. Ju högre energi strålningen har, desto kortare är dess våglängd och desto högre blir dess frekvens. Blått ljus har till exempel högre energi och därför högre frekvens och kortare våglängd än rött ljus.
Typer av Spectra
Det finns två typer av utsläppsspektrum. Den kontinuerliga typen innehåller många frekvenser som smälter in i varandra utan luckor, medan linjetypen endast innehåller ett fåtal distinkta frekvenser. Heta föremål producerar ett kontinuerligt spektrum, medan gaser kan absorbera energi och sedan avge den vid vissa specifika våglängder, vilket bildar ett emissionslinjespektrum. Varje kemiskt element har sin egen unika sekvens av linjer.
Hur ett kontinuerligt spektrum produceras
Relativt täta ämnen, när de blir tillräckligt varma, avger ljus på alla våglängder. Atomerna ligger 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 spektrum av frekvenser. Mängden strålning vid olika frekvenser varierar med temperaturen. En järnspik som värms upp i en låga kommer att gå från röd till gul till vit när dess temperatur ökar och den avger ökande mängder strålning vid kortare våglängder.
En regnbåge är ett exempel på det kontinuerliga spektrum som produceras av solen. Vattendroppar fungerar som prismor och delar upp solens ljus i dess olika våglängder.
Det kontinuerliga spektrumet bestäms helt av temperaturen på ett föremål och inte av dess sammansättning. Faktum är att färger kan beskrivas i termer av temperatur. Inom astronomi avslöjar färgen på en stjärna dess temperatur, med blå stjärnor som är mycket varmare än röda.
Hur element producerar Emission Line Spectra
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 sitt grundtillstånd. När den absorberar energi kan en elektron hoppa till en högre energinivå. Förr eller senare kommer emellertid elektronen att återgå till sin lägsta nivå, och atomen till sitt grundtillstånd, och avger energi som elektromagnetisk strålning.
Energin hos EMR motsvarar skillnaden i energi mellan elektronens högre och lägre tillstånd. När en elektron sjunker från ett högt till ett lågenergitillstånd, bestämmer storleken på hoppet frekvensen på den strålning som sänds ut. Blått ljus, till exempel, indikerar ett större energifall än rött ljus.
Varje grundämne har sitt eget arrangemang av elektroner och möjliga energinivåer. När en elektron absorberar strålning av en viss frekvens, kommer den senare att avge strålning med samma frekvens: våglängden på den absorberade strålningen bestämmer det initiala hoppet i energinivå, och därför det slutliga hoppet tillbaka till marktillståndet. Det följer av detta att atomer av ett givet grundämne endast kan avge strålning vid vissa specifika våglängder, vilket bildar ett mönster som är unikt för det elementet.
Att observera Spectra
Ett instrument som kallas ett spektroskop eller spektrometer används för att observera emissionsspektra. Den använder ett prisma eller diffraktionsgitter för att dela upp 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 en mörk bakgrund. Genom att notera linjernas positioner kan en spektroskopist upptäcka vilka element som finns i ljuskällan. Emissionsspektrumet för väte, det enklaste grundämnet, består av en serie linjer i det röda, blåa och violetta området av synligt ljus. Andra element har ofta mer komplexa spektra.
Flamtester
Vissa element avger ljus huvudsakligen av bara en färg. I dessa fall är det möjligt att identifiera elementet i ett prov genom att utföra ett flamtest. Detta innebär att provet värms upp i en låga, vilket gör att det förångas och avger strålning vid sina karakteristiska frekvenser och ger en tydligt synlig färg åt lågan. Grundämnet natrium ger till exempel en stark gul färg. Många element kan lätt identifieras på detta sätt.
Molekylära spektra
Hela molekyler kan också producera emissionsspektra, som är resultatet av förändringar i hur de vibrerar eller roterar. Dessa involverar lägre energi 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 på emissions- 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 detta kan användas för att identifiera dem. Till exempel producerar ljus från solen som passerar genom Venus atmosfär ett absorptionsspektrum som gör det möjligt för forskare att bestämma sammansättningen av planetens atmosfär.