Színképelemzés

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából
Spirituszláng, előtérben a spektruma

A színképelemzés vagy spektroszkópia (latin + görög) szűkebb értelemben a fény felbontásával keletkezett színkép vizsgálatával, tágabb értelemben a teljes elektromágneses színkép és mindenféle sugárzás (például: részecskesugárzások) spektrumának elemzésével foglalkozó, különösen annak energia (hullámhossz, rezgésszám) szerint felbontott összetevőinek tulajdonságait vizsgáló tudományág.

Felfedezése[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

1814-ben Joseph von Fraunhofer német fizikus felfedezte, hogy a Nap energiasugárzása nem egyenletes a látható spektrum minden frekvenciáján, hanem bizonyos meghatározott frekvenciák hiányoznak, a színképben ezek helyén fekete vonalak látszódnak. Abban az időben ezt a tényt csak érdekesnek tartották, de nem gondolták róla, hogy fontos is lehet.

Gustav Kirchhoff német (porosz) fizikus az 1850-es évek közepén az elektromos áramok kutatásával foglalkozott a breslaui egyetemen. 1858-ban, amikor egy alkalommal egy professzornak segédkezett, észrevette, hogy a gázok fényspektrumában fényes vonalak jelentek meg, és eszébe jutott, hogy ez hasonlít ahhoz, amit Fraunhofer cikkében olvasott. További vizsgálatokkal kiderült, hogy ezeknek a fényes vonalaknak a hullámhossza pontosan megegyezik azoknak a fekete vonalaknak a hullámhosszával, amelyeket Fraunhofer a Nap látható spektrumában tanulmányozott. Kirchhoff, miközben azon gondolkozott, hogy vajon mit jelenthet, hogy valamilyen gáz lángjában és a Nap színképében azonos hullámhosszhoz tartozó vonalak találhatók, rájött, hogy ha a fény spektrumát egy prizma segítségével felbontja, a hullámhosszak közötti különbség jobban látható lesz. Akkoriban ehelyett különféle színű szűrőket használtak, amiket egymás után raktak, és így a fény halványabban volt látható.

Kirchhoff arra gondolt, hogy az ő módszerével majd minden fényes csúcsot ki fog tudni mutatni, bármely gáz állítja is azt elő. A gyakorlatban azonban nem működött a dolog. Ugyanis az a láng, amivel a gázokat megvilágította, túl fényes volt, és ez zavarta a megfigyelést.

Robert Bunsen német kémikus 1858-ban fedezte fel a fotokémiát[forrás?] – azt a tudományt, amely az egyes kémiai elemek elégetésekor kisugározódó fény tanulmányozásával foglalkozik. Munkája során kifejlesztett egy égőt, aminek lényege az volt, hogy a vizsgálandó gázt és a levegőt az égés előtt összekeverték, így különösen forró gázt sikerült előállítani (1480 °C fölöttit), amely alig sugárzott látható fényt. Az égőt később Bunsen-égőnek nevezték el, ma is ezen a néven ismert.

Kirchhoff és Bunsen a Heidelbergi egyetemen dolgoztak együtt 1859-ben. (Munka közben Kirchhoff, mivel csak 1 méter 50 cm magas volt, Bunsennek a válláig ért). Ketten hat hónap alatt megterveztek és kidolgoztak egy módszert és egy készüléket, amiben alkalmazták Kirchhoff prizmáját és Bunsen égőjét a fény felbontására, és a készüléket spektrográfnak nevezték el. Eredetileg ezt kémiai minták égetésére szánták, aminek során a keletkezett fényspektrum vizsgálható volt. Elkezdték katalogizálni a kémiai elemeket és a hozzájuk tartozó hullámhosszakat minden ismert kémiai elemre, és felfedezték, hogy egy egy elem mindig ugyanazokat a hullámhosszakat állította elő; ez volt az elem kémiai „aláírása”.

Ezzel a tudással és a kémiai elemek általuk megmért katalógusával felfegyverkezve Kirchhoff és Bunsen végezte el először tengervíz és a Nap teljes kémiai elemzését. Ennek során megállapították, hogy a Nap atmoszférájában hidrogén, hélium, nátrium és még vagy féltucat egyéb, a Földön is megtalálható közönséges elem van. Ez bizonyította be először, hogy a Föld kémiailag nem különleges az égitestek között.

Kirchhoff és Bunsen a tudománynak egy sokoldalú vizsgálóeszközt bocsátott a rendelkezésére, amivel a csillagok kémiai felépítését ugyanolyan pontosan meg lehet határozni, mintha a Földön vizsgálnánk meg egy anyagmintát.

E felismerésük alapján a már ismert kémiai elemek azonosítása után két új elemet is fölfedeztek színképelemzéssel, az egyik 1860-ban a cézium volt (nevének jelentése: „égszínkék”, amit a spektrográfban látható kékes színe után kapott). A másik elem a rubídium, amit 1861-ben fedeztek fel. Ennek az elemnek fényes, pirosas színe volt a spektrográfban (a szó a latin „piros” szóból származik).[1]

Felosztása[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A vizsgált sugárzás alapján megkülönböztethető a

  • látható fény
  • gamma-
  • röntgen-
  • ultraibolya-
  • infravörös-
  • mikrohullámú spektroszkópia
Hullámhossz (m) Frekvencia Hullámszám (cm-1) Energia (J) Elnevezés A kölcsönhatás helye Spektrális eljárás
10-10
3*1018 Hz – 3*1020 Hz
108 – 1010
10-16 – 10-18
gamma-sugarak
atommag
gamma-spektroszkópia
10-9 – 10-7
3*1016 Hz – 3*1018 Hz
106 – 108
10-19 – 10-17
röntgensugarak
atommag, belső elektronhéj
röntgen-spektroszkópia
10-7
10-18 – 10-19
ultraibolya (UV) sugarak
belső elektronhéj, vegyértékelektronok
UV-spektroszkópia
10-6
10-19
látható fény
vegyértékelektronok
VIS-spektroszkópia
10-6 – 10-5
3*1012 Hz – 3*1014
102 – 104
10-19 – 10-21
infravörös (IR) sugarak
molekulák, kémiai kötések
IR-spektroszkópia
10-5 – 10-4
3*108 Hz – 3*1012
10-2 – 102
10-21 – 10-23
mikrohullámú sugárzás
molekulák, molekularotáció
EPR-spektroszkópia
10-2 – 102
3*106 Hz – 3*108
10-4 – 10-2
10-25 – 10-26
rádióhullámok
magspin
NMR-spektroszkópia

Mivel az elektromágneses sugárzás tulajdonságai az azt kibocsátó, elnyelő, visszaverő anyag minőségétől, mennyiségétől, állapotától függenek, tehát felosztható aszerint is, hogy kibocsátott (emittált), elnyelt (abszorbeált), visszavert (reflektált), elhajolt, vagy szórt fényt vizsgál.

Szokásos a kép alakban előállított spektrumokat tanulmányozó spektroszkópiát spektrográfiának, a spektrumok mennyiségi (kvantitatív) tulajdonságaira összpontosító ágát pedig spektrometriának (látható, ultraibolya, vagy infravörös fény esetén spektrofotometriának) nevezni. A tágabb értelemben vett spektroszkópia részecskesugárzásokkal is foglalkozik (tömeg~, elektron~), valamint egyéb, anyagra jellemző, energiájuk szerint rendezett tulajdonságok vizsgálatával (például: NMR-spektroszkópia).

A spektroszkópia, változatos vizsgálati területének köszönhetően, jelentősen hozzájárult az anyagról szerzett ismeretekhez. Segítségével tárták fel az atomok elektronszerkezetének sajátosságait, határozták meg az elektronállapotokat jellemző kvantumszámokat; végeredményben ez tette lehetővé a kémiai elemek periódusos rendszerének elméleti értelmezését. Felvilágosítást ad a molekulák szerkezetéről, a molekulákon belüli atomtávolságokról, az elektronok elrendeződéséről. Számos elemet, elemek izotópjait, molekulát a spektroszkópia révén fedeztek fel. Anyagok összetételének vizsgálatánál széleskörűen alkalmazták az asztrofizikában, a technikában, a régészetben, a rendőri nyomozásban stb.

A spektroszkópia területei[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

  1. Atomspektroszkópia
  2. Molekulaspektroszkópia
    • Frekvenciamoduláció-spektroszkópia
    • Magrezonancia-spektroszkópia , magasfrekvenciás spektroszkópia (NMR)
    • Elektronspin-rezonancia (ESR/EPR)
    • Endor-spektroszkópia (ENDOR)
    • Mikrohullámú spektroszkópia
    • UV/VIS spektroszkópia (UV/Vis)
  3. Tömegspektrometria (MS)
  4. Ultrarövid idejű spektroszkópia
  5. Lézerspektroszkópia
    • Lézerindukált fluoreszcencia
  6. Impedancia spektroszkópia
  7. Ionspektroszkópia
    • Másodlagos tömegspektrometria (SIMS)

Jegyzetek[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

  1. Kendall Haven: 100 Greatest Science Discoveries of All Time (Unlimited Libraries, 2007)

Lásd még[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Irodalom[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

  • Clark, Donald: Encyclopedia of Great Inventors and Discoveries. London: Marshall Cavendish Books, 1991
  • Diagram Group: Facts on File Chemistry Handbook. New York: Facts on File, 2000
  • Laidler, Keith: World of Physical Chemistry. New York: Oxford University Press, 1995
  • Lomask, Milton: Invention and Technology Great Lives. New York: Charles Scribner’s Sons, 1994
  • Philbin, Tom: The 100 Greatest Inventions of All Time. New York: Citadel Press, 2003
  • Schwacz, Joe: The Man Behind the Burner: Robert Bunsen’s Discoveries Changed the World of Chemistry in More Ways Than One. Chicago: Thomas Gale, 2005
  • Tuniz, R. J.: Accelerator Mass Spectrometry. New York: CRC Press, 1998