Uno spettro di emissione è la radiazione elettromagnetica (EMR), come la luce visibile, che una sostanza emette. Ogni elemento emette un’impronta di luce unica, quindi l’analisi delle frequenze di questa luce aiuta a identificare la sostanza chimica che l’ha generata. Questa procedura è chiamata spettroscopia di emissione ed è uno strumento scientifico molto utile. Viene utilizzato in astronomia per studiare gli elementi presenti nelle stelle e nelle analisi chimiche.
La radiazione elettromagnetica può essere descritta in termini di lunghezza d’onda – la distanza tra le creste delle onde – o la sua frequenza – il numero di creste che passano in un dato periodo di tempo. Maggiore è l’energia della radiazione, minore sarà la sua lunghezza d’onda e maggiore sarà la sua frequenza. La luce blu, ad esempio, ha un’energia maggiore e quindi una frequenza più alta e una lunghezza d’onda più corta rispetto alla luce rossa.
Tipi di spettri
Esistono due tipi di spettro di emissione. Il tipo continuo contiene molte frequenze che si fondono l’una nell’altra senza interruzioni, mentre il tipo a linea contiene solo poche frequenze distinte. Gli oggetti caldi producono uno spettro continuo, mentre i gas possono assorbire energia per poi emetterla a determinate lunghezze d’onda specifiche, formando uno spettro a righe di emissione. Ogni elemento chimico ha la sua sequenza unica di linee.
Come viene prodotto uno spettro continuo
Le sostanze relativamente dense, quando diventano abbastanza calde, emettono luce a tutte le lunghezze d’onda. Gli atomi sono relativamente vicini tra loro e quando guadagnano energia, si muovono di più e si scontrano l’uno con l’altro, dando luogo a un’ampia gamma di energie. Lo spettro, quindi, è costituito da EMR a una gamma di frequenze molto ampia. Le quantità di radiazione alle diverse frequenze variano con la temperatura. Un chiodo di ferro riscaldato in una fiamma passerà dal rosso al giallo al bianco all’aumentare della sua temperatura ed emette quantità crescenti di radiazioni a lunghezze d’onda più corte.
Un arcobaleno è un esempio dello spettro continuo prodotto dal Sole. Le goccioline d’acqua agiscono come prismi, dividendo la luce solare nelle sue varie lunghezze d’onda.
Lo spettro continuo è determinato interamente dalla temperatura di un oggetto e non dalla sua composizione. In effetti, i colori possono essere descritti in termini di temperatura. In astronomia, il colore di una stella rivela la sua temperatura, con le stelle blu che sono molto più calde di quelle rosse.
Come gli elementi producono gli spettri della linea di emissione
Uno spettro a righe è prodotto da gas o plasma, in cui gli atomi sono abbastanza distanti tra loro da non influenzarsi direttamente l’un l’altro. Gli elettroni in un atomo possono esistere a diversi livelli di energia. Quando tutti gli elettroni di un atomo sono al loro livello energetico più basso, si dice che l’atomo è nel suo stato fondamentale. Poiché assorbe energia, un elettrone può saltare a un livello di energia più elevato. Prima o poi, però, l’elettrone tornerà al suo livello più basso e l’atomo al suo stato fondamentale, emettendo energia sotto forma di radiazione elettromagnetica.
L’energia dell’EMR corrisponde alla differenza di energia tra gli stati superiore e inferiore dell’elettrone. Quando un elettrone passa da uno stato ad alta energia ad uno a bassa energia, la dimensione del salto determina la frequenza della radiazione emessa. La luce blu, ad esempio, indica un calo di energia maggiore rispetto alla luce rossa.
Ogni elemento ha la propria disposizione di elettroni e possibili livelli di energia. Quando un elettrone assorbe radiazione di una particolare frequenza, emetterà successivamente radiazione alla stessa frequenza: la lunghezza d’onda della radiazione assorbita determina il salto iniziale del livello energetico, e quindi l’eventuale ritorno allo stato fondamentale. Ne consegue che gli atomi di un dato elemento possono emettere radiazioni solo a determinate lunghezze d’onda specifiche, formando uno schema unico per quell’elemento.
Osservazione degli spettri
Uno strumento noto come spettroscopio o spettrometro viene utilizzato per osservare gli spettri di emissione. Usa un prisma o un reticolo di diffrazione per dividere la luce, e talvolta altre forme di EMR, nelle loro diverse frequenze. Questo può dare uno spettro continuo o lineare, a seconda della fonte della luce.
Uno spettro di emissione lineare appare come una serie di linee colorate su uno sfondo scuro. Osservando le posizioni delle linee, uno spettroscopista può scoprire quali elementi sono presenti nella sorgente della luce. Lo spettro di emissione dell’idrogeno, l’elemento più semplice, è costituito da una serie di righe nelle gamme della luce visibile rossa, blu e viola. Altri elementi hanno spesso spettri più complessi.
Test della fiamma
Alcuni elementi emettono luce principalmente di un solo colore. In questi casi è possibile identificare l’elemento in un campione eseguendo un test di fiamma. Ciò comporta il riscaldamento del campione in una fiamma, facendolo vaporizzare ed emettendo radiazioni alle sue frequenze caratteristiche e dando un colore chiaramente visibile alla fiamma. L’elemento sodio, ad esempio, conferisce un colore giallo intenso. Molti elementi possono essere facilmente identificati in questo modo.
Spettri molecolari
Intere molecole possono anche produrre spettri di emissione, che risultano da cambiamenti nel modo in cui vibrano o ruotano. Questi comportano energie inferiori e tendono a produrre emissioni nella parte infrarossa dello spettro. Gli astronomi hanno identificato una varietà di molecole interessanti nello spazio attraverso la spettroscopia a infrarossi e la tecnica è spesso utilizzata nella chimica organica.
Spettri di assorbimento
È importante distinguere tra spettri di emissione e di assorbimento. In uno spettro di assorbimento, alcune lunghezze d’onda della luce vengono assorbite mentre attraversano un gas, formando uno schema di linee scure su uno sfondo continuo. Gli elementi assorbono le stesse lunghezze d’onda che emettono, quindi questo può essere usato per identificarli. Ad esempio, la luce del Sole che passa attraverso l’atmosfera di Venere produce uno spettro di assorbimento che consente agli scienziati di determinare la composizione dell’atmosfera del pianeta.