Un spectru de emisie este radiația electromagnetică (EMR), cum ar fi lumina vizibilă, pe care o emite o substanță. Fiecare element emite o amprentă unică de lumină, așa că analiza frecvențelor acestei lumini ajută la identificarea substanței chimice care a generat-o. Această procedură se numește spectroscopie de emisie și este un instrument științific foarte util. Este folosit în astronomie pentru a studia elementele prezente în stele și în analiza chimică.
Radiația electromagnetică poate fi descrisă în termeni de lungime de undă – distanța dintre crestele undelor – sau frecvența sa – numărul de creste care trec într-o anumită perioadă de timp. Cu cât energia radiației este mai mare, cu atât lungimea sa de undă este mai mică și frecvența acesteia va fi mai mare. Lumina albastră, de exemplu, are o energie mai mare și, prin urmare, o frecvență mai mare și o lungime de undă mai scurtă decât lumina roșie.
Tipuri de spectre
Există două tipuri de spectru de emisie. Tipul continuu conține multe frecvențe care se îmbină între ele fără goluri, în timp ce tipul de linie conține doar câteva frecvențe distincte. Obiectele fierbinți produc un spectru continuu, în timp ce gazele pot absorbi energie apoi o emit la anumite lungimi de undă specifice, formând un spectru de linie de emisie. Fiecare element chimic are propria sa secvență unică de linii.
Cum se produce un spectru continuu
Substantele relativ dense, cand se incalzesc suficient, emit lumina la toate lungimile de unda. Atomii sunt relativ apropiați unul de celălalt și, pe măsură ce câștigă energie, se mișcă mai mult și se lovesc unul de celălalt, rezultând o gamă largă de energii. Prin urmare, spectrul constă din EMR la o gamă foarte largă de frecvențe. Cantitățile de radiație la diferite frecvențe variază în funcție de temperatură. Un cui de fier încălzit într-o flacără va trece de la roșu la galben la alb pe măsură ce temperatura îi crește și emite cantități tot mai mari de radiații la lungimi de undă mai scurte.
Un curcubeu este un exemplu de spectru continuu produs de Soare. Picăturile de apă acționează ca prisme, împărțind lumina Soarelui în diferitele sale lungimi de undă.
Spectrul continuu este determinat în întregime de temperatura unui obiect și nu de compoziția acestuia. De fapt, culorile pot fi descrise în termeni de temperatură. În astronomie, culoarea unei stele își dezvăluie temperatura, stelele albastre fiind mult mai fierbinți decât cele roșii.
Cum produc elementele spectre ale liniilor de emisie
Un spectru de linie este produs de gaz sau plasmă, unde atomii sunt suficient de îndepărtați unul de celălalt pentru a nu se influența direct unul pe altul. Electronii dintr-un atom pot exista la diferite niveluri de energie. Când toți electronii dintr-un atom sunt la cel mai scăzut nivel de energie, se spune că atomul este în starea sa fundamentală. Pe măsură ce absoarbe energie, un electron poate sări la un nivel de energie mai înalt. Totuși, mai devreme sau mai târziu, electronul va reveni la cel mai scăzut nivel, iar atomul la starea sa fundamentală, emițând energie sub formă de radiație electromagnetică.
Energia EMR corespunde diferenței de energie dintre stările superioare și inferioare ale electronului. Atunci când un electron scade de la o stare de energie ridicată la una scăzută, mărimea saltului determină frecvența radiației emise. Lumina albastră, de exemplu, indică o scădere mai mare a energiei decât lumina roșie.
Fiecare element are propriul aranjament de electroni și niveluri posibile de energie. Când un electron absoarbe radiații cu o anumită frecvență, mai târziu va emite radiații la aceeași frecvență: lungimea de undă a radiației absorbite determină saltul inițial al nivelului de energie și, prin urmare, eventualul salt înapoi la starea fundamentală. De aici rezultă că atomii oricărui element dat pot emite radiații doar la anumite lungimi de undă specifice, formând un model unic pentru acel element.
Observarea Spectrelor
Un instrument cunoscut sub numele de spectroscop sau spectrometru este utilizat pentru a observa spectrele de emisie. Folosește o prismă sau o rețea de difracție pentru a împărți lumina și, uneori, alte forme de EMR, în diferitele lor frecvențe. Acest lucru poate oferi un spectru continuu sau de linii, în funcție de sursa luminii.
Un spectru de emisie de linii apare ca o serie de linii colorate pe un fundal întunecat. Notând pozițiile liniilor, un spectroscopist poate descoperi ce elemente sunt prezente în sursa de lumină. Spectrul de emisie al hidrogenului, cel mai simplu element, constă dintr-o serie de linii în intervalele roșii, albastre și violete ale luminii vizibile. Alte elemente au adesea spectre mai complexe.
Teste la flacără
Unele elemente emit lumină în principal dintr-o singură culoare. În aceste cazuri, este posibil să se identifice elementul dintr-o probă prin efectuarea unui test de flacără. Aceasta presupune încălzirea probei într-o flacără, determinând-o să se vaporizeze și să emită radiații la frecvențele sale caracteristice și să dea o culoare clar vizibilă flăcării. Elementul sodiu, de exemplu, dă o culoare galbenă puternică. Multe elemente pot fi ușor identificate în acest fel.
Spectre moleculare
Moleculele întregi pot produce, de asemenea, spectre de emisie, care rezultă din modificări în modul în care vibrează sau se rotesc. Acestea implică energii mai mici și tind să producă emisii în partea infraroșie a spectrului. Astronomii au identificat o varietate de molecule interesante în spațiu prin spectroscopie în infraroșu, iar tehnica este adesea folosită în chimia organică.
Spectre de absorbție
Este important să se facă distincția între spectrele de emisie și cele de absorbție. Într-un spectru de absorbție, unele lungimi de undă de lumină sunt absorbite pe măsură ce trec printr-un gaz, formând un model de linii întunecate pe un fundal continuu. Elementele absorb aceleași lungimi de undă pe care le emit, astfel încât aceasta poate fi folosită pentru a le identifica. De exemplu, lumina de la Soare care trece prin atmosfera lui Venus produce un spectru de absorbție care permite oamenilor de știință să determine compoziția atmosferei planetei.