Spektroskooppi on tieteellinen väline, joka jakaa valon eri aallonpituuksille, jotka ihmiset näkevät eri väreinä. Violetilla on lyhin aallonpituus, jonka ihmiset voivat nähdä, ja punainen pisin. Tämä laite voi myös tunnistaa aallonpituudet, joita ihmiset eivät näe, kuten infrapuna- ja ultraviolettisäteily. Valo sisältää yleensä eri aallonpituuksien seoksen; tutkimalla näitä, tiedemiehet voivat saada hyödyllistä tietoa, kuten valon lähteessä olevat kemialliset elementit. Spektroskooppeja käytetään laajalti tähtitieteessä, kemiassa ja muilla aloilla.
Spektroskoopin tyypit ja miten ne toimivat
Joseph von Fraunhofer, saksalainen optikko, keksi spektroskoopin vuonna 1814. Varhaisessa muodossa se käytti linssiä tulevan valon tarkentamiseen ja prismaa valon jakamiseksi taittumalla. Myöhemmin Fraunhofer kuitenkin korvasi prisman laitteella, joka koostui useista kapeista, yhdensuuntaisista rakoista, jotka tunnetaan diffraktiohilana. Tämä levitti valon eri aallonpituudet eri määrillä ja sen etuna oli se, että se antoi tarkkailijan itse mitata aallonpituudet, mikä ei ollut mahdollista prismaa käyttämällä. Fraunhofer käytti spektroskooppejaan tutkiakseen valoa eri lähteistä, mukaan lukien liekit, kuumat materiaalit ja aurinko, planeetat ja tähdet.
Nykyaikaisia spektroskooppeja on useita tyyppejä niiden tarkoituksesta riippuen. Yksinkertainen kädessä pidettävä laite käyttää pientä diffraktioristikkoa tai prismaa ja on helposti kannettava. Se on suunniteltu käytettäväksi kentällä, ja sitä voidaan käyttää esimerkiksi jalokivien ja mineraalien tunnistamiseen. Tähtitieteessä spektroskooppia käytettäisiin normaalisti kaukoputken kanssa etäisten, heikkojen esineiden valon analysoimiseksi; nämä välineet ovat yleensä raskaita ja suuria.
On muitakin instrumentteja, jotka tekevät samaa työtä kuin spektroskooppi ja toimivat samalla periaatteella. Nämä eroavat pääasiassa spektrin tallennustavasta. Nykyaikainen spektrometri tuottaa digitaalisen kuvan spektristä, kun taas spektrofotometri tallentaa sen sähköisesti, ja spektrografia on yleisempi nimi laitteelle, joka tuottaa ja tallentaa spektriä. Näitä termejä käytetään joskus keskenään ja “spektroskooppi” voi kuvata mitä tahansa niistä.
Jotkut laitteet voivat tuottaa spektrejä sähkömagneettiselle säteilylle aallonpituuksilla, jotka ylittävät näkyvän valon rajat. Koska tätä säteilyä ei voida havaita suoraan, spektrit on tallennettava erityisillä ilmaisimilla. Niitä käytetään infrapuna- ja ultraviolettisäteilyn tutkimiseen.
Infrapunaspektroskooppi voi käyttää säädettävää monokromaattoria eristämään jokaisen kiinnostavan aallonpituuden vuorostaan tai yleisemmin interferometriä. Tämä jakaa tulevan säteilyn kahteen säteeseen. Liikkuva peili muuttaa yhden säteen pituutta siten, että kun ne kootaan yhteen, ne tuottavat häiriökuvion. Kuvion analyysi paljastaa läsnä olevat eri aallonpituudet. Interferometrimenetelmän etuna on kaikkien aallonpituuksien havaitseminen yhdellä kertaa.
Spectrum -tyypit
Valoa säteilevät aineet tuottavat emissiospektrin. Kuumat, hehkuvat kiinteät aineet-kuten valkoinen kuuma metalli-lähettävät valoa kaikilla aallonpituuksilla ja tuottavat jatkuvan spektrin, jossa värit sulautuvat toisiinsa. Erittäin kuumat kaasut puolestaan tuottavat viivaspektrin, joka koostuu värillisistä viivoista tummaa taustaa vasten. Tämä johtuu siitä, että ne lähettävät valoa vain tietyillä aallonpituuksilla, riippuen läsnä olevista kemiallisista elementeistä.
Jokaisella elementillä on oma ainutlaatuinen viivamalli. Esimerkiksi natrium tuottaa voimakkaita viivoja spektrin keltaisessa osassa. Tämä voidaan nähdä suihkuttamalla suolaa (natriumkloridia) liekkiin, jolloin se erottuu keltaisesta väristä.
Absorptiospektri syntyy, kun tiettyjen aallonpituuksien valoa absorboi kaasu tai neste, jonka läpi se kulkee. Jokainen kemiallinen elementti absorboi vain tiettyjä tiettyjä aallonpituuksia – samoja, joita se säteilee kuumana kaasuna – ja siten absorptiospektrejä voidaan käyttää myös elementtien tunnistamiseen. Absorptiospektri koostuu tummista viivoista jatkuvan spektrin kirkasta taustaa vasten.
Aurinko tuottaa jatkuvan spektrin, jossa on useita tummia absorptiolinjoja. Auringon ytimen ydinfuusioprosessi vapauttaa valoa monilla aallonpituuksilla, mutta jotkut niistä absorboivat eri elementit, kun valo kulkee pintaan muodostaen tummat viivat. Tutkijat pystyivät määrittämään auringon kemiallisen koostumuksen tällä tavalla. Elementti helium, jota ei ollut koskaan nähty maan päällä, tunnistettiin ensin sen absorptiolinjoista Auringon spektrissä.
Spektroskopia tähtitieteessä
Tähtitieteilijät käyttävät spektroskooppeja selvittääkseen, mitä elementtejä on tähdissä, planeettojen ilmakehässä ja tähtienvälisessä avaruudessa. Tähtien on havaittu eroavan koostumukseltaan ja ne voidaan luokitella spektrien mukaan. Spektroskoopit ovat antaneet tutkijoille mahdollisuuden selvittää, mitä elementtejä on muiden aurinkokunnan planeettojen ilmakehässä. Tähtitieteilijät voivat ehkä analysoida muiden tähtien ympäri kiertävien eksoplaneettojen ilmakehää; jos happea löydettäisiin, se olisi vahva osoitus elämästä.
Muiden galaksien valon tutkiminen on paljastanut, että useimmissa tapauksissa elementtien spektriviivat siirtyvät kohti spektrin pidempää aallonpituutta, punaista päätä, ilmiötä, joka tunnetaan punaisena siirtymänä. Kaukaisimmilla galakseilla on suurimmat punaiset siirtymät, ja useimmat tähtitieteilijät uskovat, että tämä johtuu siitä, että maailmankaikkeus laajenee. Kun kahden kohteen välinen tila kasvaa, niiden välillä kulkeva valo venyy, mikä johtaa pidempiin aallonpituuksiin.
Hyvin kaukana olevien kohteiden spektrit, miljardien valovuoden päässä, siirtyvät näkyvän valon alueen ulkopuolelle infrapuna -alueelle. Tästä syystä niiden analysointiin on käytettävä infrapunaspektroskopiaa. Molekyylit tuottavat infrapunasäteilyä tyypillisillä aallonpituuksilla, kun ne värisevät tai pyörivät. Tätä menetelmää voidaan siksi käyttää tunnistamaan molekyylejä, jotka esiintyvät tähtienvälisessä avaruudessa kelluvissa kaasupilvissä. Tähtitieteilijät ovat löytäneet tällä tavalla kaasupilvistä vettä, metaania ja ammoniakkia.
Spektroskopia kemiassa
Kemiassa spektroskoopit voivat tunnistaa materiaalinäytteessä olevat elementit. Näyte kuumennetaan voimakkaasti, kuten liekissä, ja siitä tulee kuuma, hehkuva kaasu, joka tuottaa päästöjohtospektrin. Kemistit voivat sitten tutkia tätä tunnistaakseen elementit. Tämä menetelmä johti useiden jaksollisen taulukon elementtien löytämiseen. Vaihtoehtoisesti spektroskopia voi kaapata nesteen absorptiospektrin, kun valo loistaa sen läpi.
Kemistit voivat käyttää spektroskopiaa kemiallisten yhdisteiden ja alkuaineiden tunnistamiseen. Infrapunaspektroskopia on erityisen hyödyllinen tässä suhteessa, ja sitä käytetään usein orgaanisessa kemiassa, biokemiassa ja rikosteknologiassa.