Emisioni spektar je elektromagnetsko zračenje (EMR), kao što je vidljiva svjetlost koju tvar emitira. Svaki element daje jedinstveni otisak svjetla, pa analiza frekvencija ovog svjetla pomaže identificirati kemikaliju koja ga je stvorila. Ovaj postupak naziva se emisijska spektroskopija i vrlo je koristan znanstveni alat. Koristi se u astronomiji za proučavanje elemenata prisutnih u zvijezdama i u kemijskoj analizi.
Elektromagnetsko zračenje može se opisati u smislu njegove valne duljine – udaljenosti između vrhova valova – ili njegove frekvencije – broja vrhova koji prolaze u određenom vremenskom razdoblju. Što je energija zračenja veća, to će njegova valna duljina biti kraća i frekvencija veća. Plavo svjetlo, na primjer, ima veću energiju i stoga višu frekvenciju i kraću valnu duljinu od crvene svjetlosti.
Vrste spektra
Postoje dvije vrste spektra emisije. Kontinuirani tip sadrži mnogo frekvencija koje se spajaju jedna u drugu bez praznina, dok tip linije sadrži samo nekoliko različitih frekvencija. Vrući objekti proizvode kontinuirani spektar, dok plinovi mogu apsorbirati energiju, a zatim je emitirati na određenim specifičnim valnim duljinama, tvoreći linijski spektar emisije. Svaki kemijski element ima svoj jedinstveni slijed linija.
Kako se proizvodi kontinuirani spektar
Relativno guste tvari, kada se dovoljno zagriju, emitiraju svjetlost na svim valnim duljinama. Atomi su relativno blizu jedan drugome i kako dobivaju energiju, oni se više kreću i udaraju jedan o drugog, što rezultira širokim rasponom energija. Spektar se, dakle, sastoji od EMR na vrlo širokom rasponu frekvencija. Količina zračenja na različitim frekvencijama varira s temperaturom. Željezni čavao zagrijan u plamenu prelazi iz crvene u žutu u bijelu kako mu se temperatura povećava i emitira sve veće količine zračenja na kraćim valnim duljinama.
Duga je primjer kontinuiranog spektra koji proizvodi Sunce. Kapljice vode djeluju kao prizme, dijeleći sunčevu svjetlost na različite valne duljine.
Kontinuirani spektar u potpunosti je određen temperaturom objekta, a ne njegovim sastavom. Zapravo, boje se mogu opisati u terminima temperature. U astronomiji, boja zvijezde otkriva njezinu temperaturu, pri čemu su plave zvijezde mnogo toplije od crvenih.
Kako elementi proizvode spektre emisijskih linija
Linijski spektar proizvodi plin ili plazma, gdje su atomi dovoljno udaljeni da ne utječu jedan na drugog izravno. Elektroni u atomu mogu postojati na različitim energetskim razinama. Kada su svi elektroni u atomu na najnižoj energetskoj razini, kaže se da je atom u svom osnovnom stanju. Kako apsorbira energiju, elektron može skočiti na višu energetsku razinu. Prije ili kasnije, međutim, elektron će se vratiti na najnižu razinu, a atom u osnovno stanje, emitirajući energiju kao elektromagnetsko zračenje.
Energija EMR-a odgovara razlici u energiji između višeg i nižeg stanja elektrona. Kada elektron padne iz stanja visoke u stanje niske energije, veličina skoka određuje frekvenciju emitiranog zračenja. Plavo svjetlo, na primjer, ukazuje na veći pad energije od crvenog svjetla.
Svaki element ima svoj vlastiti raspored elektrona i moguće razine energije. Kada elektron apsorbira zračenje određene frekvencije, kasnije će emitirati zračenje na istoj frekvenciji: valna duljina apsorbiranog zračenja određuje početni skok razine energije, a time i eventualni skok natrag u osnovno stanje. Iz ovoga slijedi da atomi bilo kojeg elementa mogu emitirati zračenje samo na određenim specifičnim valnim duljinama, tvoreći uzorak jedinstven za taj element.
Promatranje spektra
Instrument poznat kao spektroskop ili spektrometar koristi se za promatranje emisijskih spektra. Koristi prizmu ili difrakcijsku rešetku da podijeli svjetlost, a ponekad i druge oblike EMR-a, na njihove različite frekvencije. Ovo može dati kontinuirani ili linijski spektar, ovisno o izvoru svjetlosti.
Spektar emisije linija pojavljuje se kao niz obojenih linija na tamnoj pozadini. Uočavanjem položaja linija, spektroskopist može otkriti koji su elementi prisutni u izvoru svjetlosti. Emisioni spektar vodika, najjednostavnijeg elementa, sastoji se od niza linija u crvenom, plavom i ljubičastom rasponu vidljive svjetlosti. Ostali elementi često imaju složenije spektre.
Testovi plamena
Neki elementi emitiraju svjetlost uglavnom samo jedne boje. U tim je slučajevima moguće identificirati element u uzorku provođenjem ispitivanja plamenom. To uključuje zagrijavanje uzorka u plamenu, uzrokujući da on isparava i emitira zračenje na svojim karakterističnim frekvencijama i daje plamenu jasno vidljivu boju. Element natrij, na primjer, daje jaku žutu boju. Mnogi elementi se mogu lako identificirati na ovaj način.
Molekularni spektri
Cijele molekule također mogu proizvesti spektre emisije, koji su rezultat promjena u načinu na koji vibriraju ili rotiraju. One uključuju niže energije i imaju tendenciju da proizvode emisije u infracrvenom dijelu spektra. Astronomi su infracrvenom spektroskopijom identificirali razne zanimljive molekule u svemiru, a tehnika se često koristi u organskoj kemiji.
Spektri apsorpcije
Važno je razlikovati emisioni i apsorpcijski spektar. U apsorpcijskom spektru, neke valne duljine svjetlosti se apsorbiraju dok prolaze kroz plin, tvoreći uzorak tamnih linija na kontinuiranoj pozadini. Elementi apsorbiraju iste valne duljine koje emitiraju, pa se to može koristiti za njihovu identifikaciju. Na primjer, svjetlost sa Sunca koja prolazi kroz atmosferu Venere stvara apsorpcijski spektar koji omogućuje znanstvenicima da odrede sastav atmosfere planeta.