Päästöspektri on sähkömagneettista säteilyä (EMR), kuten näkyvää valoa, jota aine lähettää. Jokainen elementti antaa ainutlaatuisen valon sormenjäljen, joten tämän valon taajuuksien analysointi auttaa tunnistamaan sen synnyttäneen kemikaalin. Tätä menettelyä kutsutaan emissiospektroskopiaksi ja se on erittäin hyödyllinen tieteellinen työkalu. Sitä käytetään tähtitieteessä tähtien elementtien ja kemiallisen analyysin tutkimiseen.
Sähkömagneettista säteilyä voidaan kuvata sen aallonpituudella – aaltojen harjanteiden välisellä etäisyydellä – tai sen taajuudella – tietyn ajan kuluessa kulkevien harjanteiden määrällä. Mitä suurempi säteilyn energia, sitä lyhyempi sen aallonpituus ja sitä suurempi taajuus. Esimerkiksi sinisellä valolla on suurempi energia ja siksi suurempi taajuus ja lyhyempi aallonpituus kuin punaisella valolla.
Spectra -tyypit
Päästöspektrejä on kahta tyyppiä. Jatkuva tyyppi sisältää monia taajuuksia, jotka sulautuvat toisiinsa ilman aukkoja, kun taas linjatyyppi sisältää vain muutamia erillisiä taajuuksia. Kuumat esineet tuottavat jatkuvan spektrin, kun taas kaasut voivat absorboida energiaa ja lähettää sitä sitten tietyillä aallonpituuksilla muodostaen päästölinjaspektrin. Jokaisella kemiallisella alkuaineella on oma ainutlaatuinen linjasarja.
Jatkuvan taajuuden tuottaminen
Suhteellisen tiheät aineet, kun ne kuumenevat tarpeeksi, säteilevät valoa kaikilla aallonpituuksilla. Atomit ovat suhteellisen lähellä toisiaan ja kun ne saavat energiaa, ne liikkuvat enemmän ja törmäävät toisiaan vastaan, mikä johtaa monenlaisiin energioihin. Siksi spektri koostuu EMR: stä erittäin laajalla taajuusalueella. Säteilymäärät eri taajuuksilla vaihtelevat lämpötilan mukaan. Liekissä kuumennettu rautakynsi muuttuu punaisesta keltaiseksi valkoiseksi sen lämpötilan noustessa ja se lähettää yhä suurempia määriä säteilyä lyhyemmillä aallonpituuksilla.
Sateenkaari on esimerkki Auringon tuottamasta jatkuvasta spektristä. Vesipisarat toimivat prismoina ja jakavat auringon valon eri aallonpituuksille.
Jatkuva spektri määräytyy kokonaan kohteen lämpötilan eikä sen koostumuksen perusteella. Itse asiassa värit voidaan kuvata lämpötilan perusteella. Tähtitieteessä tähden väri paljastaa sen lämpötilan, ja siniset tähdet ovat paljon kuumempia kuin punaiset.
Kuinka elementit tuottavat päästölinjaspektrejä
Kaasulla tai plasmalla tuotetaan linjaspektri, jossa atomit ovat riittävän kaukana toisistaan eivätkä vaikuta toisiinsa suoraan. Atomin elektronit voivat esiintyä eri energiatasoilla. Kun atomin kaikki elektronit ovat alimmalla energiatasollaan, atomin sanotaan olevan perustilassa. Kun elektroni imee energiaa, se voi hypätä korkeammalle energiatasolle. Ennemmin tai myöhemmin elektroni kuitenkin palaa alimmalle tasolleen ja atomi perustilaan ja säteilee energiaa sähkömagneettisena säteilynä.
EMR: n energia vastaa elektronien korkeamman ja alemman tilan energiaeroa. Kun elektroni putoaa korkeasta matalaan energiatilaan, hyppyjen koko määrittää lähetettävän säteilyn taajuuden. Esimerkiksi sininen valo osoittaa suuremman energianpudotuksen kuin punainen valo.
Jokaisella elementillä on oma elektronijärjestely ja mahdolliset energiatasot. Kun elektroni absorboi tietyn taajuuden säteilyä, se lähettää myöhemmin säteilyä samalla taajuudella: absorboidun säteilyn aallonpituus määrää energian alkuhyppyn ja siten lopullisen hyppy takaisin perustilaan. Tästä seuraa, että minkä tahansa alkuaineen atomit voivat lähettää säteilyä vain tietyillä tietyillä aallonpituuksilla muodostaen tälle elementille ainutlaatuisen kuvion.
Spektrien tarkkailu
Spektroskoopiksi tai spektrometriksi tunnettua instrumenttia käytetään emissiospektrien tarkkailuun. Se käyttää prismaa tai diffraktiohilaa valon ja joskus muiden EMR -muotojen jakamiseen eri taajuuksille. Tämä voi antaa jatkuvan tai viivaspektrin valonlähteestä riippuen.
Viivapäästöspektri näkyy värillisten viivojen sarjana tummaa taustaa vasten. Huomioimalla viivojen sijainnit spektroskopisti voi selvittää, mitä elementtejä valonlähteessä on. Yksinkertaisin elementti vedyn päästöspektri koostuu viivoista, jotka ovat näkyvän valon punaisella, sinisellä ja violetilla alueella. Muilla elementeillä on usein monimutkaisempia spektrejä.
Liekitestit
Jotkut elementit säteilevät pääasiassa vain yhden värin valoa. Näissä tapauksissa on mahdollista tunnistaa näytteen elementti suorittamalla liekkitesti. Tämä sisältää näytteen lämmittämisen liekissä, jolloin se höyrystyy ja säteilee sille tyypillisillä taajuuksilla ja antaa liekille selvästi näkyvän värin. Esimerkiksi natrium -elementti antaa vahvan keltaisen värin. Monet elementit voidaan helposti tunnistaa tällä tavalla.
Molekyylispektrit
Kokonaiset molekyylit voivat myös tuottaa emissiospektrejä, jotka johtuvat värähtelyn tai pyörimisen muutoksista. Ne sisältävät vähemmän energiaa ja aiheuttavat yleensä päästöjä spektrin infrapunaosassa. Tähtitieteilijät ovat tunnistaneet avaruudessa erilaisia mielenkiintoisia molekyylejä infrapunaspektroskopian avulla, ja tekniikkaa käytetään usein orgaanisessa kemiassa.
Imeytymispektrit
On tärkeää erottaa emissio- ja absorptiospektrit. Absorptiospektrissä jotkut valon aallonpituudet absorboituvat, kun ne kulkevat kaasun läpi muodostaen tummien viivojen kuvion jatkuvalla taustalla. Elementit absorboivat samat aallonpituudet kuin ne, joten niitä voidaan käyttää niiden tunnistamiseen. Esimerkiksi Venuksen ilmakehän läpi kulkeva auringon valo tuottaa absorptiospektrin, jonka avulla tutkijat voivat määrittää planeetan ilmakehän koostumuksen.