mini|desno|300px|Spektar elektromagnetskog zračenja.
mini|300px|Dvostruka duga.
mini|desno|300px|Slika psa u srednjem ("termalnom") infracrvenom području (temperatura je prikazana bojom).
mini|desno|300px|Crno svjetlo ili UV flourescentna svjetiljka (ultraljubičasto zračenje).
mini|desno|300px|Rendgenska snimka ruke.
Spektar (lat. spectrum: pojava, priviđenje) je raspodjela intenzitetâ mjerene veličine prikazanih ovisno o nekoj fizikalnoj veličini, na primjer energiji, frekvenciji, brzini, masi i drugo. Najčešće se pojam spektar koristi u značenju spektar elektromagnetskog zračenja. Kao analitičke funkcije energije u spektru elektromagnetskog zračenja koriste se:
valna duljina je udaljenost između najbliže dvije točke iste elongacije i iste faze na valu:
frekvencija je broj titraja koje neki val izvede u jedinici vremena:
valni broj je broj valnih ciklusa u jedinici duljine:
gdje je: E - energija fotona, c - brzina svjetlosti, a h - Planckova konstanta.
Elektromagnetski spektar
Elektromagnetski spektar prikaz je jakosti elektromagnetskoga zračenja kao funkcije njegove frekvencije, odnosno valne duljine. Obuhvaća sve vrste elektromagnetskih valova, od niskofrekventnih radiovalova (valne duljine od nekoliko kilometara) preko mikrovalova (30 cm do 1 mm) i područja optičkih spektara (infracrvenoga zračenja, vidljive svjetlosti, ultraljubičastoga zračenja; od 1 mm do 1 nm) do visokofrekvencijskoga rendgenskog zračenja (valne duljine do približno 1 pm) i gama-zračenja. Promjene u energijskim razinama elektrona odražavaju se uglavnom na ultraljubičastim i vidljivim spektrima, a od vibracijske i rotacijske energije molekula potječu infracrveni spektri.
Elektromagnetski spektar Naziv Valna duljina Frekvencija (Hz) Energija fotona (eV) Gama-čestica < 0,02 nm > 15∙1018 Hz > 62,1 keV Rendgenske zrake 0,01 nm – 10 nm 30∙1018 Hz – 30∙1015 Hz 124 keV – 124 eV Ultraljubičasto zračenje 10 nm – 400 nm 30 PHz – 750 THz 124 eV – 3 eV Vidljiva svjetlost 390 nm – 750 nm 770 THz – 400 THz 3,2 eV – 1,7 eV Infracrveno zračenje 750 nm – 1 mm 400 THz – 300 GHz 1,7 eV – 1,24 meV Mikrovalovi 1 mm – 1 m 300 GHz – 300 MHz 1,24 meV – 1,24 µeV Radio valovi 1 mm – 100 km 300 GHz – 3 kHz 1,24 µeV – 12,4∙10-15 eV
Vidljivi spektar Vidljivi spektar (koji zamjećuje ljudsko oko) odgovara nizu boja što nastaje rasapom bijele Sunčeve svjetlosti (disperzija; duga), od ljubičaste (valne duljine 380 nm), preko plave, zelene, žute i narančaste do crvene (780 nm).
Emisijski spektar
Emisijski spektar koji nastaje raščlanjivanjem (na primjer s pomoću prizme ili optičke rešetke) emitiranoga zračenja užarenih tijela karakterističan je za fizikalna i kemijska svojstva izvora zračenja.
Apsorpcijski spektar
Apsorpcijski spektar nastaje raščlanjivanjem zračenja propuštenoga kroz tvari koje djelomično propuštaju a djelomično apsorbiraju elektromagnetsko zračenje na svojstven, selektivan način. Frekvencije zračenja koje neka tvar apsorbira odgovaraju frekvencijama koje bi ta tvar emitirala u usijanom stanju (Kirchhoffov zakon toplinskog zračenja). Čvrste tvari emitiraju kontinuirani spektar, koji sadrži sve frekvencije vidljivog, infracrvenog i ultraljubičastoga područja. Nasuprot tomu, tvari u plinovitom stanju emitiraju diskontinuirani, linijski ili atomski spektar, sastavljen od niza diskretnih monokromatskih spektralnih linija to jest samo zračenje frekvencija karakterističnih za pobuđeni atom. Rendgensko linijsko zračenje atoma nastaje kada upadni snop visokoenergijskoga zračenja izbija elektrone iz dijela elektronskog oblaka u blizini jezgre atoma a nastale se šupljine popunjavaju skokom elektrona iz viših energijskih razina. Tumačenje nastanka takvih spektara dovelo je do razjašnjenja strukture pojedinih atoma (kvantna mehanika), a na temelju proučavanja emisijskih spektara zvijezda razjašnjena su njihova fizikalna i kemijska svojstva (spektralni razredi zvijezda).
Spektri emisije, apsorpcije, raspršenja i polarizacije elektromagnetskoga zračenja primjenjuju se za objašnjenje strukture molekula, a služe i u kvalitativnoj i kvantitativnoj kemijskoj analizi. Razdvajanje spektralnih linija opaža se kad se promatraju spektri koje emitiraju ili apsorbiraju atomi u magnetskom ili električnom polju, a te se pojave nazivaju Zeemanov učinak ili Starkov učinak.
Druge vrste spektara se od elektromagnetskih spektara razlikuju po načelima energijskih promjena u ispitivanim tvarima ili načinu detekcije, na primjer spektar energijske razdiobe elektrona ili maseni spektar iona prema omjeru njihove mase i naboja, a također i magnetski spektar koji nastaje kada katodne zrake nakon prolaska kroz magnetsko polje padnu na odgovarajući zaslon, akustički spektar kao prikaz jest amplituda (ili faza) pojedinih komponenata složenoga zvuka kao funkcije frekvencije i drugo.
Što je nosilac elektromagnetskih valova?
Valovi svjetlosti i elektromagnetski valovi imaju ista osnovna svojstva i šire se istom brzinom (brzina svjetlosti). Između njih nema nikakve razlike u njihovim fizičkim svojstvima, već se samo razlikuju u valnoj duljini, odnosno frekvenciji. Ogib, interferencija i polarizacija su pokazali da je svjetlost transverzalni val. Kod elektromagnetskog vala električno titranje je okomito na magnetsko, pa se te dvije promjene šire u prostor okomito na smjer svoga kretanja. Prema tome je i elektromagnetski val također transverzalno titranje. Pokusi pokazuju da električne promjene u elektromagnetskom valu djeluju na fotografsku ploču i na vidni živac u našem oku, pa imamo osjet svjetla. Sve nas to upućuje na to da su vidljivi valovi svjetlosti, kao i infracrvene, ultraljubičaste, rendgenske i gama zrake također elektromagnetski valovi, samo mnogo manje valne duljine. O valnoj duljini ovise njihova posebna svojstva. Svi valovi raspoređeni po svojoj valnoj duljini čine elektromagnetski spektar.
No sada se postavlja pitanje što je nosilac elektromagnetskih valova? Prije se smatralo da je nosilac tih valova neka hipotetična tvar, takozvani eter koji ispunjava čitav svemir. No, dalji razvoj znanosti odbacio je potpuno tu hipotezu. Ta bi, naime, tvar morala imati čudna svojstva, to jest ona bi morala biti savršeno kruta, a ipak bi se kroz nju gibala sva nebeska tijela bez ikakvog otpora. Osim toga morala bi biti i savršeno elastična. Danas se smatra da za elektromagnetske valove ne treba nikakav materijalni nosilac, i da su to samo periodičke promjene određenog fizičkog stanja u prostoru. Njihov je nosilac sam prostor, u kome se te promjene zbivaju. Velimir Kruz: "Tehnička fizika za tehničke škole", "Školska knjiga" Zagreb, 1969.
Iskustvene činjenice o spektrima mini|desno|300px|Užarena čvrsta tijela emitiraju svjetlost s kontinuirano raspodijeljenim valnim duljinama (toplinsko zračenje).
mini|desno|300px|Vodikove spektralne linije, u logaritamskoj skali.
mini|desno|300px|Prijelaz elektrona i njihova rezultirajuća valna duljina za vodik (Bohrov model atoma).
mini|desno|300px|Emisijski spektar natrija koji prikazuje svojstvenu D liniju.
mini|desno|300px|Sunčev spektar s Fraunhoferovim linijama.
mini|desno|300px|U pojednostavljenom Bohrovom modelu atoma vodika, Balmerova serija nastaje skokom elektrona na drugu energetsku razinu (n = 2). Prikazana je emisija svjetlosti. Prijelaz elektrona predstavlja H-alfa, prvu liniju Balmerove serije, valne duljine 656 nm.
mini|desno|300px|Lymanova serija vodikovog atoma u ultraljubičastom području.
mini|desno|300px|Dvije Balmerove linije (α i β) se jasno vide u emisijskom spektru deuterijeve svjetiljke.
mini|desno|300px|Emisijski spektar željeza.
mini|desno|300px|Dijagram energetske razine elektrona u vodikovom atomu.
mini|desno|300px|Rutherfordov model atoma ili planetarni model atoma: elektroni (zeleno) i atomska jezgra (crveno).
mini|desno|300px|Elektromagnetsko zračenje: promjenljivo magnetsko polje proizvodi električno, a promjenljivo električno polje – magnetsko. Proces uzajamnoga proizvođenja električnog i magnetskog polja širi se po prostoru konačnom brzinom, koja je jednaka brzini svjetlosti.
mini|desno|300px|Vodikove spektralne linije.
300px|desno|mini|Fluorescencija nekih minerala (emisija vidljive svjetlosti) kad su izloženi ultraljubičastom zračenju.
Užarena čvrsta tijela emitiraju svjetlost s kontinuirano raspodijeljenim valnim duljinama (toplinsko zračenje). Od temperature užarenog tijela zavisi koji je dio spektra najjači (najintenzivniji), ali od mjesta maksimuma postepeno se gasi svjetlost prema manjim i većim valnim duljinama. Nasuprot tome kontinuiranom spektru čvrstih tijela opaža se kod plinova i para nešto drugo. U njihovu se spektru pojavljuju diskretne linije, koje su svojstvene za pojedine kemijske elemente. Čitav spektar se sastoji od niza oštro određenih linija.
Lako je uvidjeti da linijski spektar potječe od atoma. Takvi se spektri dobivaju pri pokusima s katodnim i kanalnim zrakama. Električno izbijanje u katodnoj cijevi niskog tlaka izaziva uvijek velik broj atoma na emisiju svjetlosti. Linijske spektre emitiraju također i plemeniti plinovi, koji se sastoje od čistih atoma, a ne molekula.
Linijske spektre možemo studirati na emisijskom ili apsorpcijskom spektru. Pusti li se bijela svjetlost kroz neke pare ili plin, opaža se u dobivenom spektru da su neke valne duljine ugušene. Tamne linije stoje točno na onim mjestima spektra gdje bi ležale emisijske linije. Plin dakle apsorbira svjetlost onih valnih duljina koje bi inače emitirao. Apsorpcijski spektar slaže se potpuno s emisijskim. Ova određenost u spektrima kemijskih elemenata jedan je od temeljnih zakona nuklearne fizike.
Iako svakom kemijskom elementu pripadaju posebne, svojstvene spektralne linije, ipak se u njihovim spektrima opažaju neka zajednička svojstva, koja omogućuju da se unese red u golem spektroskopski materijal. Spektralne linije svakog kemijskog elementa daju se srediti u nekoliko serija. Svaka pojedina serija predstavlja niz linija koje su poredane po određenom pravilu. Često se već na prvi pogled vidi da linije jedne serije pripadaju zajedno. Promatramo li linije od većih valnih duljina prema manjim, udara nam odmah u oči da se razmak između njih smanjuje. Linije se gomilaju prema određenoj valnoj duljine, koja je granica te serije.
Prvi je J. J. Balmer 1885. otkrio da se vodikov spektar može prikazati jednostavnom matematičkom jednadžbom. Njemu su tada bile poznate 4 vidljive vodikove linije s valnim duljinama: Hα = 656, 199 nm Hβ = 486, 152 nm Hγ = 434, 067 nm Hδ = 410, 194 nm
Običaj je da se vodikove linije označe početnim slovima grčkog alfabeta, koja dolaze kao indeksi kemijskom simbolu H. Recipročne vrijednosti valnih duljina tih četiriju linija daje se jednadžbom (Rydbergova formula):
gdje je: m = 3, 4, 5, 6; a R je takozvana Rydbergova konstanta. Uvrstimo li u Balmerovoj jednadžbi za m cijele brojeve veće od 7 dobivamo valne duljine koje leže u ultraljubičastom području spektra. Pokusima se doista našlo još oko 30 linija koje se potpuno slažu s Balmerovom jednadžbom. Linije se gomilaju prema valnoj duljini koja je dana izrazom:
To je granica serije. Balmerova serija je idealni tip spektralnih linija uopće. Kako se vidi na slici, razmak između susjednih linija pravilno se smanjuje, i linije se gomilaju prema određenoj granici.
Iz razloga koji će se kasnije iznijeti uvedeno je da se spektralne jednadžbe postavljaju za frekvencije, a ne za valne duljine. Pokusima se, doduše, mjere valne duljine (iz interferentnih, ogibnih ili disperzionih pojava), ali zakoni spektralne analize postaju pregledniji kad se uzimaju u obzir frekvencije. Pri tom treba misliti na sljedeće: frekvencija ν se može izračunati iz valne duljine λ prema poznatom odnosu:
No brzina svjetlosti c nije tako točno izmjerena kako su točna mjerenja valne duljine. Točnost spektralne analize je nenadmašiva. Iz tog razloga i dalje se u spektralnoj analizi svi iskustveni podaci izražavaju u valnim duljinama.
Uvodeći frekvenciju, možemo Balmerovu jednadžbu pisati u obliku: