Το φασματοσκόπιο είναι ένα επιστημονικό όργανο που χωρίζει το φως στα διαφορετικά μήκη κύματός του, τα οποία οι άνθρωποι βλέπουν ως διαφορετικά χρώματα. Το βιολετί έχει το μικρότερο μήκος κύματος που μπορούν να δουν οι άνθρωποι και το κόκκινο το μεγαλύτερο. Αυτό το όργανο μπορεί επίσης να αναγνωρίσει μήκη κύματος που οι άνθρωποι δεν μπορούν να δουν, όπως η υπέρυθρη και η υπεριώδης ακτινοβολία. Το φως συνήθως περιέχει ένα μείγμα διαφορετικών μηκών κύματος. Μελετώντας αυτά, οι επιστήμονες μπορούν να βρουν χρήσιμες πληροφορίες, όπως τα χημικά στοιχεία που υπάρχουν στην πηγή του φωτός. Τα φασματοσκόπια χρησιμοποιούνται ευρέως στην αστρονομία, τη χημεία και άλλους τομείς.
Τύποι Φασματοσκοπίου και Πώς λειτουργούν
Ο Joseph von Fraunhofer, ένας Γερμανός οπτικός, εφηύρε το φασματοσκόπιο το 1814. Στην πρώιμη μορφή του, χρησιμοποιούσε έναν φακό για να εστιάσει το εισερχόμενο φως και ένα πρίσμα για να διασπάσει το φως με διάθλαση. Αργότερα, ωστόσο, ο Fraunhofer αντικατέστησε το πρίσμα με μια συσκευή που αποτελείται από έναν αριθμό στενών, παράλληλων σχισμών γνωστών ως πλέγμα περίθλασης. Αυτό άπλωσε τα διαφορετικά μήκη κύματος του φωτός με διαφορετικές ποσότητες και είχε το πλεονέκτημα ότι επέτρεπε στον παρατηρητή να μετρήσει πραγματικά τα μήκη κύματος, κάτι που δεν ήταν δυνατό χρησιμοποιώντας ένα πρίσμα. Ο Fraunhofer χρησιμοποίησε τα φασματοσκόπια του για να μελετήσει το φως από διάφορες πηγές, όπως φλόγες, θερμά υλικά και τον Ήλιο, τους πλανήτες και τα αστέρια.
Τα σύγχρονα φασματοσκόπια διατίθενται σε διάφορους τύπους, ανάλογα με τον σκοπό τους. Μια απλή συσκευή χειρός χρησιμοποιεί ένα μικρό πλέγμα περίθλασης ή πρίσμα και είναι εύκολα φορητή. Έχει σχεδιαστεί για χρήση στον αγρό και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αναγνώριση πολύτιμων λίθων και ορυκτών, για παράδειγμα. Στην αστρονομία, ένα φασματοσκόπιο θα μπορούσε κανονικά να χρησιμοποιηθεί με ένα τηλεσκόπιο για την ανάλυση του φωτός από μακρινά, αμυδρά αντικείμενα. Αυτά τα όργανα τείνουν να είναι βαριά και ογκώδη.
Υπάρχουν και άλλα όργανα που κάνουν την ίδια δουλειά με ένα φασματοσκόπιο και λειτουργούν με την ίδια αρχή. Αυτά διαφέρουν κυρίως στον τρόπο καταγραφής του φάσματος. Ένα σύγχρονο φασματόμετρο παράγει μια ψηφιακή εικόνα του φάσματος, ενώ ένα φασματοφωτόμετρο την καταγράφει ηλεκτρονικά, και ένας φασματογράφος είναι μια γενικότερη ονομασία για ένα όργανο που παράγει και καταγράφει ένα φάσμα. Αυτοί οι όροι χρησιμοποιούνται μερικές φορές εναλλακτικά και το “φασματοσκόπιο” μπορεί να περιγράφει οποιοδήποτε από αυτά.
Ορισμένες συσκευές μπορούν να παράγουν φάσματα για ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία με μήκη κύματος πέρα από τα όρια του ορατού φωτός. Δεδομένου ότι αυτή η ακτινοβολία δεν μπορεί να παρατηρηθεί άμεσα, τα φάσματα πρέπει να καταγραφούν από ειδικούς ανιχνευτές. Αυτά χρησιμοποιούνται για τη μελέτη της υπέρυθρης και υπεριώδους ακτινοβολίας.
Ένα υπέρυθρο φασματοσκόπιο μπορεί να χρησιμοποιεί έναν ρυθμιζόμενο μονοχρωμάτορα για να απομονώνει κάθε μήκος κύματος ενδιαφέροντος με τη σειρά του ή, πιο συχνά, ένα συμβολόμετρο. Αυτό χωρίζει την εισερχόμενη ακτινοβολία σε δύο δέσμες. Ένας κινούμενος καθρέφτης μεταβάλλει το μήκος μιας δέσμης έτσι ώστε όταν ενώνονται, παράγουν ένα σχέδιο παρεμβολής. Η ανάλυση του σχεδίου αποκαλύπτει τα διαφορετικά μήκη κύματος που υπάρχουν. Η μέθοδος συμβολόμετρου έχει το πλεονέκτημα ότι ανιχνεύει όλα τα μήκη κύματος σε ένα πέρασμα.
Τύποι Φάσματος
Οι ουσίες που εκπέμπουν φως παράγουν ένα φάσμα εκπομπής. Καυτά, λαμπερά στερεά – όπως το λευκό μέταλλο – εκπέμπουν φως σε όλα τα μήκη κύματος και παράγουν ένα συνεχές φάσμα, όπου τα χρώματα συγχωνεύονται το ένα με το άλλο. Τα πολύ θερμά αέρια, από την άλλη πλευρά, παράγουν ένα φάσμα γραμμών, το οποίο αποτελείται από έγχρωμες γραμμές σε σκούρο φόντο. Αυτό συμβαίνει γιατί εκπέμπουν φως μόνο σε συγκεκριμένα μήκη κύματος, ανάλογα με τα χημικά στοιχεία που υπάρχουν.
Κάθε στοιχείο έχει το δικό του μοναδικό σχέδιο γραμμών. Το νάτριο, για παράδειγμα, παράγει έντονες γραμμές στο κίτρινο τμήμα του φάσματος. Αυτό μπορεί να φανεί ρίχνοντας αλάτι (χλωριούχο νάτριο) σε μια φλόγα, δίνοντάς της ένα χαρακτηριστικό κίτρινο χρώμα.
Ένα φάσμα απορρόφησης παράγεται όταν το φως σε συγκεκριμένα μήκη κύματος απορροφάται από ένα αέριο ή υγρό από το οποίο διέρχεται. Κάθε χημικό στοιχείο απορροφά μόνο ορισμένα συγκεκριμένα μήκη κύματος – τα ίδια που εκπέμπει ως θερμό αέριο – και έτσι τα φάσματα απορρόφησης μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για την αναγνώριση στοιχείων. Ένα φάσμα απορρόφησης αποτελείται από σκοτεινές γραμμές στο φωτεινό φόντο ενός συνεχούς φάσματος.
Ο Ήλιος παράγει ένα συνεχές φάσμα με έναν αριθμό σκοτεινών γραμμών απορρόφησης. Η διαδικασία πυρηνικής σύντηξης στον πυρήνα του Ήλιου απελευθερώνει φως σε πολλά μήκη κύματος, αλλά μερικά από αυτά απορροφώνται από διάφορα στοιχεία καθώς το φως ταξιδεύει στην επιφάνεια, δημιουργώντας τις σκοτεινές γραμμές. Οι επιστήμονες μπόρεσαν να προσδιορίσουν τη χημική σύσταση του Ήλιου με αυτόν τον τρόπο. Το στοιχείο ήλιο, το οποίο δεν είχε παρατηρηθεί ποτέ στη Γη, αναγνωρίστηκε για πρώτη φορά από τις γραμμές απορρόφησής του στο φάσμα του Ήλιου.
Φασματοσκοπία στην Αστρονομία
Οι αστρονόμοι χρησιμοποιούν φασματοσκόπια για να ανακαλύψουν ποια στοιχεία υπάρχουν στα αστέρια, στις ατμόσφαιρες των πλανητών και στο διαστρικό διάστημα. Τα αστέρια έχουν βρεθεί ότι διαφέρουν ως προς τη σύνθεση και μπορούν να ταξινομηθούν ανάλογα με τα φάσματα τους. Τα φασματοσκόπια επέτρεψαν στους ερευνητές να ανακαλύψουν ποια στοιχεία υπάρχουν στις ατμόσφαιρες των άλλων πλανητών του ηλιακού συστήματος. Οι αστρονόμοι μπορεί να είναι σε θέση να αναλύσουν τις ατμόσφαιρες των εξωπλανητών που βρίσκονται σε τροχιά γύρω από άλλα αστέρια. Εάν ανακαλύφθηκε οξυγόνο, αυτό θα ήταν μια ισχυρή ένδειξη ζωής.
Η εξέταση του φωτός από άλλους γαλαξίες αποκάλυψε ότι, στις περισσότερες περιπτώσεις, οι φασματικές γραμμές των στοιχείων μετατοπίζονται προς το μεγαλύτερο μήκος κύματος, το κόκκινο άκρο του φάσματος, ένα φαινόμενο γνωστό ως ερυθρή μετατόπιση. Οι πιο μακρινοί γαλαξίες παρουσιάζουν τις μεγαλύτερες μετατοπίσεις στο κόκκινο και οι περισσότεροι αστρονόμοι πιστεύουν ότι αυτό συμβαίνει επειδή το σύμπαν διαστέλλεται. Καθώς ο χώρος μεταξύ δύο αντικειμένων αυξάνεται, το φως που ταξιδεύει μεταξύ τους τεντώνεται, με αποτέλεσμα μεγαλύτερα μήκη κύματος.
Τα φάσματα των πολύ μακρινών αντικειμένων, δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά, μετατοπίζονται πέρα από το εύρος του ορατού φωτός και στην υπέρυθρη περιοχή. Για το λόγο αυτό, για την ανάλυσή τους πρέπει να χρησιμοποιηθεί υπέρυθρη φασματοσκοπία. Τα μόρια παράγουν υπέρυθρη ακτινοβολία σε χαρακτηριστικά μήκη κύματος όταν δονούνται ή περιστρέφονται. Αυτή η μέθοδος μπορεί, επομένως, να χρησιμοποιηθεί για την αναγνώριση των μορίων που υπάρχουν στα νέφη αερίων που επιπλέουν στο διαστρικό χώρο. Οι αστρονόμοι έχουν ανακαλύψει νερό, μεθάνιο και αμμωνία στα νέφη αερίων με αυτόν τον τρόπο.
Φασματοσκοπία στη Χημεία
Στη χημεία, τα φασματοσκόπια μπορούν να αναγνωρίσουν τα στοιχεία που υπάρχουν σε ένα δείγμα υλικού. Η ισχυρή θέρμανση του δείγματος, όπως σε φλόγα, το μετατρέπει σε ένα καυτό, λαμπερό αέριο που παράγει ένα φάσμα γραμμής εκπομπής. Οι χημικοί μπορούν στη συνέχεια να το εξετάσουν για να αναγνωρίσουν τα στοιχεία. Αυτή η μέθοδος οδήγησε στην ανακάλυψη πολλών από τα στοιχεία του περιοδικού πίνακα. Εναλλακτικά, η φασματοσκοπία μπορεί να συλλάβει το φάσμα απορρόφησης ενός υγρού όταν ένα φως πέφτει μέσα από αυτό.
Οι χημικοί μπορούν να χρησιμοποιήσουν φασματοσκοπία για να αναγνωρίσουν χημικές ενώσεις καθώς και στοιχεία. Η υπέρυθρη φασματοσκοπία είναι ιδιαίτερα χρήσιμη από αυτή την άποψη, και χρησιμοποιείται συχνά στην οργανική χημεία, τη βιοχημεία και την εγκληματολογική χημεία.