Un spectroscop este un instrument științific care împarte lumina în lungimi de undă diferite, pe care oamenii le văd ca culori diferite. Violetul are cea mai scurtă lungime de undă pe care oamenii o pot vedea și roșu cel mai lung. Acest instrument poate identifica, de asemenea, lungimile de undă pe care oamenii nu le pot vedea, cum ar fi radiațiile infraroșii și ultraviolete. Lumina conține de obicei un amestec de lungimi de undă diferite; studiind acestea, oamenii de știință pot afla informații utile, cum ar fi elementele chimice prezente la sursa luminii. Spectroscoapele sunt utilizate pe scară largă în astronomie, chimie și alte domenii.
Tipuri de spectroscop și cum funcționează
Joseph von Fraunhofer, un optician german, a inventat spectroscopul în 1814. În forma sa timpurie, acesta a folosit o lentilă pentru a focaliza lumina care intra și o prismă pentru a diviza lumina prin refracție. Mai târziu, însă, Fraunhofer a înlocuit prisma cu un dispozitiv constând dintr-un număr de fante înguste, paralele, cunoscute sub numele de rețea de difracție. Aceasta a răspândit diferitele lungimi de undă ale luminii în cantități diferite și a avut avantajul de a permite observatorului să măsoare efectiv lungimile de undă, ceea ce nu a fost posibil folosind o prismă. Fraunhofer și-a folosit spectroscoapele pentru a studia lumina dintr-o varietate de surse, inclusiv flăcări, materiale fierbinți și Soare, planete și stele.
Spectroscoapele moderne vin într-un număr de tipuri, în funcție de scopul lor. Un dispozitiv simplu de mână folosește o mică rețea de difracție sau o prismă și este ușor de portat. Este conceput pentru utilizare în teren și poate fi folosit pentru identificarea pietrelor prețioase și a mineralelor, de exemplu. În astronomie, un spectroscop ar fi folosit în mod normal cu un telescop pentru a analiza lumina de la obiecte îndepărtate, slabe; aceste instrumente tind să fie grele și voluminoase.
Există și alte instrumente care fac aceeași treabă ca un spectroscop și funcționează pe același principiu. Acestea diferă în principal prin modul în care este înregistrat spectrul. Un spectrometru modern produce o imagine digitală a spectrului, în timp ce un spectrofotometru o înregistrează electronic, iar un spectrograf este un nume mai general pentru un instrument care produce și înregistrează un spectru. Acești termeni sunt uneori folosiți interschimbabil, iar „spectroscopul” poate descrie oricare dintre ei.
Unele dispozitive pot produce spectre pentru radiații electromagnetice cu lungimi de undă dincolo de limitele luminii vizibile. Deoarece această radiație nu poate fi observată direct, spectrele trebuie înregistrate de detectoare speciale. Acestea sunt folosite pentru a studia radiațiile infraroșii și ultraviolete.
Un spectroscop în infraroșu poate folosi un monocromator reglabil pentru a izola fiecare lungime de undă de interes pe rând sau, mai frecvent, un interferometru. Aceasta împarte radiația primită în două fascicule. O oglindă mobilă variază lungimea unui fascicul astfel încât, atunci când sunt reunite, produc un model de interferență. Analiza modelului relevă diferitele lungimi de undă care sunt prezente. Metoda interferometrului are avantajul de a detecta toate lungimile de undă într-o singură trecere.
Tipuri de spectru
Substanțele care emit lumină produc un spectru de emisie. Solidele fierbinți, strălucitoare, cum ar fi metalul încins alb, emit lumină la toate lungimile de undă și produc un spectru continuu, în care culorile se îmbină unele cu altele. Gazele foarte fierbinți, pe de altă parte, produc un spectru de linii, care constă din linii colorate pe un fundal întunecat. Acest lucru se datorează faptului că emit lumină doar la anumite lungimi de undă, în funcție de elementele chimice care sunt prezente.
Fiecare element are propriul său model unic de linii. Sodiul, de exemplu, produce linii puternice în partea galbenă a spectrului. Acest lucru poate fi văzut prin stropirea cu sare (clorură de sodiu) într-o flacără, dându-i o culoare galbenă distinctivă.
Un spectru de absorbție este produs atunci când lumina la anumite lungimi de undă este absorbită de un gaz sau lichid prin care trece. Fiecare element chimic absoarbe doar anumite lungimi de undă specifice – aceleași pe care le emite ca gaz fierbinte – și astfel spectrele de absorbție pot fi, de asemenea, folosite pentru a identifica elemente. Un spectru de absorbție constă din linii întunecate pe fundalul luminos al unui spectru continuu.
Soarele produce un spectru continuu cu un număr de linii de absorbție întunecate. Procesul de fuziune nucleară de la miezul Soarelui eliberează lumină la multe lungimi de undă, dar unele dintre acestea sunt absorbite de diferite elemente pe măsură ce lumina călătorește la suprafață, producând linii întunecate. Oamenii de știință au putut determina compoziția chimică a Soarelui în acest fel. Elementul heliu, care nu a fost niciodată văzut pe Pământ, a fost identificat pentru prima dată prin liniile sale de absorbție în spectrul Soarelui.
Spectroscopia în astronomie
Astronomii folosesc spectroscoape pentru a afla ce elemente sunt prezente în stele, în atmosferele planetelor și în spațiul interstelar. S-a descoperit că stelele diferă în compoziție și pot fi clasificate în funcție de spectre. Spectroscoapele au permis cercetătorilor să afle ce elemente sunt prezente în atmosferele celorlalte planete din sistemul solar. Astronomii ar putea fi capabili să analizeze atmosferele exoplanetelor care orbitează în jurul altor stele; dacă s-ar descoperi oxigen, acesta ar fi un indiciu puternic al vieții.
Examinarea luminii din alte galaxii a arătat că, în cele mai multe cazuri, liniile spectrale ale elementelor sunt deplasate către lungimea de undă mai mare, capătul roșu al spectrului, un fenomen cunoscut sub numele de deplasare spre roșu. Cele mai îndepărtate galaxii prezintă cele mai mari deplasări spre roșu, iar majoritatea astronomilor cred că acest lucru se datorează faptului că universul se extinde. Pe măsură ce spațiul dintre două obiecte crește, lumina care călătorește între ele este întinsă, rezultând lungimi de undă mai mari.
Spectrele obiectelor foarte îndepărtate, aflate la miliarde de ani lumină distanță, sunt mutate dincolo de raza luminii vizibile și în regiunea infraroșu. Din acest motiv, pentru analizarea acestora trebuie folosită spectroscopia în infraroșu. Moleculele produc radiații infraroșii la lungimi de undă caracteristice atunci când vibrează sau se rotesc. Prin urmare, această metodă poate fi folosită pentru a identifica moleculele prezente în norii de gaz care plutesc în spațiul interstelar. Astronomii au descoperit apă, metan și amoniac în norii de gaz în acest fel.
Spectroscopia în chimie
În chimie, spectroscoapele pot identifica elementele prezente într-o probă de material. Încălzirea puternică a probei, cum ar fi într-o flacără, o transformă într-un gaz fierbinte, strălucitor, care produce un spectru de linie de emisie. Chimiștii pot examina apoi acest lucru pentru a identifica elementele. Această metodă a condus la descoperirea multor elemente din tabelul periodic. Alternativ, spectroscopia poate capta spectrul de absorbție al unui lichid atunci când o lumină este strălucită prin el.
Chimiștii pot folosi spectroscopia pentru a identifica compuși chimici, precum și elemente. Spectroscopia în infraroșu este deosebit de utilă în acest sens și este adesea folosită în chimia organică, biochimie și chimia criminalistică.