Spektroskop je znanstveni instrument koji dijeli svjetlost na različite valne duljine, koje ljudi vide kao različite boje. Ljubičasta ima najkraću valnu duljinu koju ljudi mogu vidjeti, a crvenu najdužu. Ovaj instrument također može identificirati valne duljine koje ljudi ne mogu vidjeti, kao što su infracrveno i ultraljubičasto zračenje. Svjetlost obično sadrži mješavinu različitih valnih duljina; proučavajući ih, znanstvenici mogu saznati korisne informacije, kao što su kemijski elementi prisutni na izvoru svjetlosti. Spektroskopi se široko koriste u astronomiji, kemiji i drugim područjima.
Vrste spektroskopa i kako rade
Joseph von Fraunhofer, njemački optičar, izumio je spektroskop 1814. godine. U svom ranom obliku koristio je leću za fokusiranje dolazeće svjetlosti i prizmu za razdvajanje svjetlosti lomom. Kasnije je, međutim, Fraunhofer zamijenio prizmu uređajem koji se sastojao od niza uskih, paralelnih proreza poznatih kao difrakcijska rešetka. To je širilo različite valne duljine svjetlosti različitim količinama i imalo je prednost što je promatraču omogućilo stvarno mjerenje valnih duljina, što nije bilo moguće pomoću prizme. Fraunhofer je koristio svoje spektroskope za proučavanje svjetlosti iz raznih izvora, uključujući plamen, vruće materijale, te Sunce, planete i zvijezde.
Moderni spektroskopi dolaze u nekoliko vrsta, ovisno o njihovoj namjeni. Jednostavan ručni uređaj koristi malu difrakcijsku rešetku ili prizmu i lako je prenosiv. Dizajniran je za korištenje na terenu, a može se koristiti za prepoznavanje dragog kamenja i minerala, na primjer. U astronomiji bi se spektroskop obično koristio s teleskopom za analizu svjetlosti udaljenih, slabih objekata; ovi instrumenti su teški i glomazni.
Postoje i drugi instrumenti koji rade isti posao kao spektroskop i rade na istom principu. One se uglavnom razlikuju po načinu snimanja spektra. Suvremeni spektrometar proizvodi digitalnu sliku spektra, dok je spektrofotometar bilježi elektronički, a spektrograf je općenitiji naziv za instrument koji proizvodi i bilježi spektar. Ovi se izrazi ponekad koriste naizmjenično i “spektroskop” može opisati bilo koji od njih.
Neki uređaji mogu proizvesti spektre za elektromagnetsko zračenje s valnim duljinama izvan granica vidljive svjetlosti. Budući da se ovo zračenje ne može izravno promatrati, spektre je potrebno snimiti posebnim detektorima. Oni se koriste za proučavanje infracrvenog i ultraljubičastog zračenja.
Infracrveni spektroskop može koristiti podesivi monokromator za izolaciju svake valne duljine od interesa ili, češće, interferometar. To dijeli dolazno zračenje u dva snopa. Pokretno zrcalo mijenja duljinu jedne zrake tako da kada se spoje, stvaraju interferencijski uzorak. Analiza uzorka otkriva različite valne duljine koje su prisutne. Metoda interferometra ima prednost detekcije svih valnih duljina u jednom prolazu.
Vrste spektra
Tvari koje emitiraju svjetlost stvaraju emisijski spektar. Vruće, užarene čvrste tvari – poput bijelo užarenog metala – emitiraju svjetlost na svim valnim duljinama i proizvode kontinuirani spektar, gdje se boje stapaju jedna u drugu. Vrlo vrući plinovi, s druge strane, proizvode linijski spektar koji se sastoji od obojenih linija na tamnoj pozadini. To je zato što emitiraju svjetlost samo na određenim valnim duljinama, ovisno o kemijskim elementima koji su prisutni.
Svaki element ima svoj jedinstveni uzorak linija. Natrij, na primjer, proizvodi jake linije u žutom dijelu spektra. To se može vidjeti posipanjem soli (natrijevog klorida) u plamen, dajući joj prepoznatljivu žutu boju.
Spektar apsorpcije nastaje kada svjetlost na određenim valnim duljinama apsorbira plin ili tekućina kroz koju ona prolazi. Svaki kemijski element apsorbira samo određene specifične valne duljine – iste koje emitira kao vrući plin – pa se apsorpcijski spektri također mogu koristiti za identifikaciju elemenata. Spektar apsorpcije sastoji se od tamnih linija na svijetloj pozadini kontinuiranog spektra.
Sunce proizvodi kontinuirani spektar s brojnim tamnim apsorpcijskim linijama. Proces nuklearne fuzije u jezgri Sunca oslobađa svjetlost na mnogim valnim duljinama, ali neke od njih apsorbiraju različiti elementi dok svjetlost putuje do površine, stvarajući tamne linije. Znanstvenici su na taj način uspjeli odrediti kemijski sastav Sunca. Element helij, koji nikada nije viđen na Zemlji, prvi je identificiran po njegovim apsorpcijskim linijama u Sunčevom spektru.
Spektroskopija u astronomiji
Astronomi koriste spektroskope kako bi otkrili koji su elementi prisutni u zvijezdama, u atmosferama planeta i u međuzvjezdanom prostoru. Utvrđeno je da se zvijezde razlikuju po sastavu i mogu se klasificirati prema njihovim spektrima. Spektroskopi su omogućili istraživačima da otkriju koji su elementi prisutni u atmosferama drugih planeta u Sunčevom sustavu. Astronomi bi mogli analizirati atmosferu egzoplaneta koji kruže oko drugih zvijezda; ako bi se otkrio kisik, to bi bio jak pokazatelj života.
Ispitivanje svjetlosti iz drugih galaksija otkrilo je da su u većini slučajeva spektralne linije elemenata pomaknute prema dužoj valnoj duljini, crvenom kraju spektra, što je fenomen poznat kao crveni pomak. Najudaljenije galaksije pokazuju najveće crvene pomake, a većina astronoma vjeruje da je to zato što se svemir širi. Kako se prostor između dvaju objekata povećava, svjetlost koja putuje između njih rasteže se, što rezultira dužim valnim duljinama.
Spektri vrlo udaljenih objekata, milijardi svjetlosnih godina udaljeni, pomaknuti su izvan raspona vidljive svjetlosti u infracrveno područje. Zbog toga se za njihovu analizu mora koristiti infracrvena spektroskopija. Molekule proizvode infracrveno zračenje na karakterističnim valnim duljinama kada vibriraju ili rotiraju. Ova metoda se stoga može koristiti za identifikaciju molekula prisutnih u oblacima plina koji plutaju u međuzvjezdanom prostoru. Astronomi su na ovaj način otkrili vodu, metan i amonijak u oblacima plina.
Spektroskopija u hemiji
U kemiji, spektroskopi mogu identificirati elemente prisutne u uzorku materijala. Snažno zagrijavanje uzorka, na primjer u plamenu, pretvara ga u vrući, užareni plin koji proizvodi linijski spektar emisije. Kemičari to onda mogu ispitati kako bi identificirali elemente. Ova metoda dovela je do otkrića mnogih elemenata u periodnom sustavu. Alternativno, spektroskopija može uhvatiti apsorpcijski spektar tekućine kada se kroz nju obasjava svjetlost.
Kemičari mogu koristiti spektroskopiju za identifikaciju kemijskih spojeva kao i elemenata. Infracrvena spektroskopija je posebno korisna u tom pogledu, a često se koristi u organskoj kemiji, biokemiji i forenzičkoj kemiji.