Ett spektroskop är ett vetenskapligt instrument som delar upp ljus i dess olika våglängder, som människor ser som olika färger. Violett har den kortaste våglängden som människor kan se och röd längst. Detta instrument kan också identifiera våglängder som människor inte kan se, såsom infraröd och ultraviolett strålning. Ljus innehåller vanligtvis en blandning av olika våglängder; genom att studera dessa kan forskare ta reda på användbar information, såsom de kemiska grundämnena som finns vid ljuskällan. Spektroskop används ofta inom astronomi, kemi och andra områden.
Typer av spektroskop och hur de fungerar
Joseph von Fraunhofer, en tysk optiker, uppfann spektroskopet 1814. I sin tidiga form använde det en lins för att fokusera inkommande ljus och ett prisma för att dela upp ljuset genom brytning. Senare ersatte Fraunhofer emellertid prismat med en anordning bestående av ett antal smala, parallella slitsar som kallas diffraktionsgitter. Detta spred ut ljusets olika våglängder i olika mängder och hade fördelen av att observatören faktiskt kunde mäta våglängderna, vilket inte var möjligt med ett prisma. Fraunhofer använde sina spektroskop för att studera ljus från en mängd olika källor, inklusive lågor, heta material och solen, planeter och stjärnor.
Moderna spektroskop finns i ett antal typer, beroende på deras syfte. En enkel handhållen enhet använder ett litet diffraktionsgitter eller prisma och är lätt att bära. Den är designad för användning i fält och kan användas för att identifiera ädelstenar och mineraler, till exempel. Inom astronomi skulle ett spektroskop normalt användas med ett teleskop för att analysera ljuset från avlägsna, svaga föremål; dessa instrument tenderar att vara tunga och skrymmande.
Det finns andra instrument som gör samma jobb som ett spektroskop och fungerar på samma princip. Dessa skiljer sig främst i hur spektrumet registreras. En modern spektrometer producerar en digital bild av spektrumet, medan en spektrofotometer registrerar det elektroniskt, och en spektrograf är ett mer allmänt namn för ett instrument som producerar och registrerar ett spektrum. Dessa termer används ibland omväxlande och ”spektroskop” kan beskriva vilken som helst av dem.
Vissa enheter kan producera spektra för elektromagnetisk strålning med våglängder bortom gränserna för synligt ljus. Eftersom denna strålning inte kan observeras direkt, måste spektra registreras av speciella detektorer. Dessa används för att studera infraröd och ultraviolett strålning.
Ett infrarött spektroskop kan använda en justerbar monokromator för att isolera varje våglängd av intresse i sin tur eller, mer vanligt, en interferometer. Detta delar upp den inkommande strålningen i två strålar. En rörlig spegel varierar längden på en stråle så att när de förs samman skapar de ett interferensmönster. Analys av mönstret avslöjar de olika våglängder som finns. Interferometermetoden har fördelen att detektera alla våglängder i ett pass.
Typer av spektrum
Ämnen som avger ljus producerar ett emissionsspektrum. Heta, glödande fasta ämnen – som vit-het metall – avger ljus på alla våglängder och producerar ett kontinuerligt spektrum, där färgerna smälter in i varandra. Mycket heta gaser å andra sidan producerar ett linjespektrum, som består av färgade linjer mot en mörk bakgrund. Detta beror på att de bara avger ljus vid vissa våglängder, beroende på vilka kemiska grundämnen som finns.
Varje element har sitt eget unika mönster av linjer. Natrium, till exempel, ger starka linjer i den gula delen av spektrumet. Detta kan ses genom att strö salt (natriumklorid) i en låga, vilket ger den en distinkt gul färg.
Ett absorptionsspektrum skapas när ljus med särskilda våglängder absorberas av en gas eller vätska genom vilken det passerar. Varje kemiskt element absorberar endast vissa specifika våglängder – samma som det avger som en het gas – och därför kan absorptionsspektra också användas för att identifiera element. Ett absorptionsspektrum består av mörka linjer mot den ljusa bakgrunden av ett kontinuerligt spektrum.
Solen producerar ett kontinuerligt spektrum med ett antal mörka absorptionslinjer. Kärnfusionsprocessen i solens kärna släpper ut ljus med många våglängder, men en del av dessa absorberas av olika element när ljuset färdas till ytan och producerar de mörka linjerna. Forskare kunde bestämma solens kemiska sammansättning på detta sätt. Grundämnet helium, som aldrig hade setts på jorden, identifierades först av sina absorptionslinjer i solens spektrum.
Spektroskopi i astronomi
Astronomer använder spektroskop för att ta reda på vilka element som finns i stjärnor, i planeternas atmosfärer och i det interstellära rymden. Stjärnor har visat sig skilja sig åt i sammansättning och kan klassificeras enligt deras spektra. Spektroskop har gjort det möjligt för forskare att ta reda på vilka grundämnen som finns i atmosfären på de andra planeterna i solsystemet. Astronomer kanske kan analysera atmosfären hos exoplaneter som kretsar kring andra stjärnor; om syre upptäcktes skulle detta vara en stark indikation på liv.
Undersökning av ljuset från andra galaxer har avslöjat att i de flesta fall är elementens spektrallinjer förskjutna mot den längre våglängden, röda änden av spektrumet, ett fenomen som kallas rödförskjutning. De mest avlägsna galaxerna visar de största rödförskjutningarna, och de flesta astronomer tror att det beror på att universum expanderar. När utrymmet mellan två objekt ökar, sträcks ljus som färdas mellan dem ut, vilket resulterar i längre våglängder.
Spektran för mycket avlägsna objekt, miljarder ljusår bort, förskjuts bortom räckvidden för synligt ljus och in i det infraröda området. Av denna anledning måste infraröd spektroskopi användas för att analysera dem. Molekyler producerar infraröd strålning vid karakteristiska våglängder när de vibrerar eller roterar. Denna metod kan därför användas för att identifiera de molekyler som finns i gasmoln som flyter i det interstellära rymden. Astronomer har upptäckt vatten, metan och ammoniak i gasmoln på detta sätt.
Spektroskopi i kemi
Inom kemi kan spektroskop identifiera de element som finns i ett materialprov. Uppvärmning av provet kraftigt, till exempel i en låga, förvandlar det till en het, glödande gas som producerar ett utsläppslinjespektrum. Kemister kan sedan undersöka detta för att identifiera grundämnena. Denna metod ledde till upptäckten av många av grundämnena i det periodiska systemet. Alternativt kan spektroskopi fånga absorptionsspektrumet för en vätska när ett ljus lyser genom den.
Kemister kan använda spektroskopi för att identifiera såväl kemiska föreningar som grundämnen. Infraröd spektroskopi är särskilt användbar i detta avseende, och den används ofta inom organisk kemi, biokemi och kriminalteknisk kemi.