Emisijas spektrs ir vielas izstarotais elektromagnētiskais starojums (EMR), piemēram, redzamā gaisma. Katrs elements izdala unikālu gaismas pirkstu nospiedumu, tāpēc šīs gaismas frekvenču analīze palīdz noteikt ķīmisko vielu, kas to radījusi. Šo procedūru sauc par emisijas spektroskopiju, un tā ir ļoti noderīgs zinātnisks instruments. To izmanto astronomijā, lai pētītu zvaigznēs esošos elementus un ķīmisko analīzi.
Elektromagnētisko starojumu var raksturot ar tā viļņa garumu — attālumu starp viļņu virsotnēm — vai tā frekvenci — viļņu garumu skaitu, kas iet garām noteiktā laika sprīdī. Jo lielāka ir starojuma enerģija, jo īsāks būs tā viļņa garums un augstāka būs tā frekvence. Piemēram, zilajai gaismai ir augstāka enerģija un tāpēc augstāka frekvence un īsāks viļņa garums nekā sarkanajai gaismai.
Spektru veidi
Ir divu veidu emisijas spektri. Nepārtrauktajā tipā ir daudz frekvenču, kas saplūst viena ar otru bez atstarpēm, savukārt līnijas tips satur tikai dažas atšķirīgas frekvences. Karsti objekti rada nepārtrauktu spektru, savukārt gāzes var absorbēt enerģiju, pēc tam to izstarot noteiktos viļņu garumos, veidojot emisijas līniju spektru. Katram ķīmiskajam elementam ir sava unikāla līniju secība.
Kā tiek izveidots nepārtraukts spektrs
Salīdzinoši blīvas vielas, kad tās pietiekami uzkarst, izstaro gaismu visos viļņu garumos. Atomi atrodas salīdzinoši tuvu viens otram, un, iegūstot enerģiju, tie kustas vairāk un saduras viens pret otru, kā rezultātā rodas plašs enerģijas diapazons. Tāpēc spektrs sastāv no EMR ļoti plašā frekvenču diapazonā. Starojuma daudzums dažādās frekvencēs mainās atkarībā no temperatūras. Liesmā uzkarsēta dzelzs nagla kļūs no sarkana līdz dzeltenai baltai, jo temperatūra paaugstinās un izstaro arvien lielāku starojuma daudzumu īsākos viļņu garumos.
Varavīksne ir Saules radītā nepārtrauktā spektra piemērs. Ūdens pilieni darbojas kā prizmas, sadalot Saules gaismu dažādos viļņu garumos.
Nepārtraukto spektru pilnībā nosaka objekta temperatūra, nevis tā sastāvs. Faktiski krāsas var raksturot ar temperatūru. Astronomijā zvaigznes krāsa atklāj tās temperatūru, un zilās zvaigznes ir daudz karstākas nekā sarkanās.
Kā elementi rada emisijas līniju spektrus
Līnijas spektru veido gāze vai plazma, kur atomi atrodas pietiekami tālu viens no otra, lai tie neietekmētu viens otru. Elektroni atomā var pastāvēt dažādos enerģijas līmeņos. Kad visi elektroni atomā atrodas zemākajā enerģijas līmenī, tiek uzskatīts, ka atoms atrodas savā pamatstāvoklī. Absorbējot enerģiju, elektrons var pāriet uz augstāku enerģijas līmeni. Tomēr agri vai vēlu elektrons atgriezīsies zemākajā līmenī, bet atoms – pamatstāvoklī, izstarojot enerģiju kā elektromagnētisko starojumu.
EMR enerģija atbilst enerģijas starpībai starp elektrona augstāko un zemāko stāvokli. Kad elektrons nokrīt no augsta uz zemu enerģijas stāvokli, lēciena lielums nosaka izstarotā starojuma frekvenci. Piemēram, zilā gaisma norāda uz lielāku enerģijas kritumu nekā sarkanā gaisma.
Katram elementam ir savs elektronu izvietojums un iespējamie enerģijas līmeņi. Kad elektrons absorbē noteiktas frekvences starojumu, tas vēlāk izstaro starojumu ar tādu pašu frekvenci: absorbētā starojuma viļņa garums nosaka sākotnējo enerģijas līmeņa lēcienu un līdz ar to arī iespējamo lēcienu atpakaļ uz pamata stāvokli. No tā izriet, ka jebkura elementa atomi var izstarot starojumu tikai noteiktos viļņu garumos, veidojot šim elementam unikālu modeli.
Spektru novērošana
Emisijas spektru novērošanai izmanto instrumentu, kas pazīstams kā spektroskops vai spektrometrs. Tas izmanto prizmu vai difrakcijas režģi, lai sadalītu gaismu un dažreiz arī citus EMR veidus dažādās frekvencēs. Tas var dot nepārtrauktu vai līniju spektru atkarībā no gaismas avota.
Līniju emisijas spektrs parādās kā krāsainu līniju virkne uz tumša fona. Atzīmējot līniju pozīcijas, spektroskopists var atklāt, kādi elementi atrodas gaismas avotā. Ūdeņraža, vienkāršākā elementa, emisijas spektrs sastāv no līniju virknes redzamās gaismas sarkanajā, zilajā un violetajā diapazonā. Citiem elementiem bieži ir sarežģītāki spektri.
Liesmas testi
Daži elementi izstaro galvenokārt tikai vienas krāsas gaismu. Šajos gadījumos ir iespējams identificēt elementu paraugā, veicot liesmas testu. Tas ietver parauga karsēšanu liesmā, izraisot tā iztvaikošanu un izstaro starojumu raksturīgās frekvencēs un piešķirot liesmai skaidri redzamu krāsu. Piemēram, elements nātrijs dod spēcīgu dzeltenu krāsu. Tādā veidā var viegli identificēt daudzus elementus.
Molekulārie spektri
Veselas molekulas var radīt arī emisijas spektrus, kas rodas no izmaiņām to vibrācijas vai rotācijas veidā. Tie ietver mazāku enerģiju un mēdz radīt emisijas spektra infrasarkanajā daļā. Astronomi ir identificējuši dažādas interesantas molekulas kosmosā, izmantojot infrasarkano staru spektroskopiju, un šo paņēmienu bieži izmanto organiskajā ķīmijā.
Absorbcijas spektri
Ir svarīgi atšķirt emisijas un absorbcijas spektrus. Absorbcijas spektrā daži gaismas viļņu garumi tiek absorbēti, kad tie iet cauri gāzei, veidojot tumšu līniju modeli uz nepārtraukta fona. Elementi absorbē tādus pašus viļņu garumus, kādus tie izstaro, tāpēc to var izmantot, lai tos identificētu. Piemēram, Saules gaisma, kas iet caur Veneras atmosfēru, rada absorbcijas spektru, kas ļauj zinātniekiem noteikt planētas atmosfēras sastāvu.