Není bílá jako bílá. Sestavte si vlastní spektroskop a odhalte, jak se liší světlo, přicházející z různých světelných zdrojů! Porovnejte svítidla doma (liší se nějak světlo v koupelně a nad kuchyňskou linkou?) nebo třeba světla lamp ve vaší ulici. Čím to je, že každé vypadá jinak?
KAPESNÍ SPEKTROSKOP FZU KE STAŽENÍ ZDE:
O světelném spektru
Na světlo je možné pohlížet jako na vlnění elektromagnetického pole šířící prostorem. Nazýváme tak úzký interval vlnových délek, které dokážeme vnímat zrakem. K dalším typům elektromagnetického vlnění patří třeba radiové vlny nebo ultrafialové záření.
Světlo různých vlnových délek vnímáme jako různé barvy. Často do oka přichází světlo více vlnových délek (barev) současně a celkový barevný vjem je dán jejich kombinací – například smíšením modrého a žlutého světla získáme světlo zdánlivě zelené. Podobně světlo, které vidíme jako bílé, se ve skutečnosti skládá ze všech možných barev. Pokud nějakým způsobem světlo rozložíme tak, abychom zobrazili všechny zastoupené barvy, ze kterých se skládá, získáme tzv. spektrum světla.
Rozklad světla na hranolu. Zdroj: Spigget CC BY-SA 3.0.
K rozkladu světla můžeme použít třeba náš kapesní spektroskop. Pohledem na různé světelné zdroje skrz tento jednoduchý nástroj můžeme prozkoumat složení světla. Vyzkoušejte různé typy zdrojů, i když na první pohled se zdají svítit podobně.
Základní typy spekter
Spojité spektrum
Namíříte-li spektroskop k plameni svíčky nebo klasické žárovce, uvidíte všechny barvy od červené až po fialovou. Je to proto, že světlo vzniká v důsledku velkého zahřátí vzduchu, respektive vlákna žárovky na teplotu několika set stupňů Celsia. Každé těleso vyzařuje elektromagnetické záření všech vlnových délek, a to tím více, čím je teplejší. Navíc se také maximum vyzařování posouvá ke kratším vlnovým délkám. Proto běžné předměty kolem nás vyzařují nejvíce v neviditelné infračervené oblasti. Pouze velmi horká tělesa svítí dostatečně na to, aby toto záření lidské oko registrovalo.
Emisní čárové spektrum
Zářivky plněné plynem mohou vydávat podobně příjemné žluté světlo jako svíčka. Přesto jejich spektrum vypadá docela jinak. Bývá v něm zastoupeno jen několik málo barev, které ve spektroskopu vidíme jako barevné čáry na tmavém pozadí. Proto se nazývají emisní spektrální čáry a jejich spektrum jako čárové.
Vznik světla v zářivce totiž probíhá úplně jiným způsobem než v případě spojitého tepelného spektra a i dotykem můžeme ověřit, že se zahřátím plynu tentokrát opravdu nemá nic společného. Světlo se totiž uvolňuje i při přesunech elektronů mezi různými hladinami v elektronových obalech atomů. Když se elektron dostane na nižší hladinu, ztratí energii právě ve formě světla. Energetický rozdíl mezi hladinami však nemůže být libovolný. Struktura elektronového obalu je charakteristická pro každý chemický prvek. Proto se každý prvek může pochlubit i unikátní strukturou čárového spektra.
Zapnutím zářivky dodáme energii elektronům v obalech atomů plynu. Přesuneme je tím na vyšší energetické hladiny. Elektrony mají tendenci přecházet zpět na stabilnější nižší hladiny a u toho vyzařují. Protože je atomů obrovské množství, uvolní se dostatek světla k praktickému použití. Situace je ve skutečnosti ještě o trochu komplikovanější, protože atomy často vyzařují neviditelné elektromagnetické záření namísto světla a teprve neprůhledná vrstva luminoforu na povrchu zářivky jej pohltí a znovu vyzáří ve viditelné oblasti. To už ale nic nezmění na čárové povaze spektra.
Absorpční čárové spektrum
Existuje samozřejmě i opačný jev, kdy elektron pohlcením světla přeskočí na vyšší hladinu v atomovém obalu. Pokud tedy prochází například spojité tepelné záření chladnějším plynem, některé barvy potom ve spektru chybí a vznikají v něm tmavé čáry – absorpční spektrální čáry a absorpční spektrum. Pro daný chemický prvek je struktura čar stejná, ať už se jedná o čáry emisní, nebo absorpční. Typickým příkladem absorpčního spektra je spektrum Slunce (nesledovat přímo, stačí namířit kamkoli venku během dne!), kde spojitá část vzniká v hloubi naší mateřské hvězdy a tmavé čáry ve vnějších vrstvách sluneční atmosféry, které mají teplotu "pouhé" tisíce stupňů Celsia. K jejich pozorování jsou však zapotřebí spektroskopy s velmi úzkou štěrbinou. Jaký vliv má šířka štěrbiny na podobu spektra si řekneme v dalším odstavci.
Jak funguje spektroskop?
Náš kapesní spektroskop je papírová krabička. Musí obsahovat jen několik základních prvků. Někudy světlo proudí dovnitř, ne něčem se rozkládá, a někudy rozložené světlo pozorujeme. Proto krabička obsahuje štěrbinu, disperzní element a pozorovací okénko.
Disperzní element je odborný název prvků, které mají schopnost světlo rozložit. Klasickým příkladem je skleněný hranol. Vědci ale častěji používají optickou mřížku, která má velmi jemné rovnoběžné vrypy, jimiž světlo prochází a nebo se na nich odráží. I tímto způsobem dojde k rozkladu světla. Primitivní optickou mřížku použijeme i my v podobě výřezu ze starého CD s vypálenými daty. S daty má totiž potřebnou strukturu.
Rozklad světla na optické mřížce (např. povrchu CD). Zdroj: FastilyClone CC BY-SA 3.0.
Pokud sledujeme odrazy světla od CD mimo krabičku spektroskopu, vidíme různé duhové barvy, ale nikdy spektrální čáry. Vysvětlení spočívá v tom, že na CD dopadají paprsky z různých směrů a my tak pozorujeme mnoho spekter různě poskládaných přes sebe. Chceme-li vidět spektrální čáry, musíme nechat světlo přicházet jen z úzkého výřezu směrů. Proto sledujeme zdroje skrz štěrbinu. Spektrální čáry jsou vlastně jejím obrazem, který se v každé barvě od optické mřížky idrazí pod trochu jiným úhlem. Čím bude štěrbina užší, tím ostřejší budou i spektrální čáry. Světla ale projde užší štěrbinou méně, a proto bude spektrum slabší. Chce to prostě najít kompromis. Nejlepší je vyříznout v místě štěrbiny co nejtenčí proužek papíru, jen proříznutí nožem nestačí.
Co všechno mohou s využitím spekter zjistit vědci?
Už jste si spektroskop vyzkoušeli? Také vás překvapilo, kolik typů spekter kolem sebe máme? Zmínili jsme, že podoba spektra se odvíjí od způsobu, jakým světlo vzniklo a co se s ním dělo během šíření prostředím. Pokročilé spektroskopy s vysokou citlivostí a rozlišovací schopností mohou vědcům prozradit nebývalé věci.
Spektrograf na evropském teleskopu VLT v Chile. Zdroj: Evropská jižní observatoř (ESO).
Pokud necháme světlo projít nebo se odrazit od vzorku, atomy v látce část světla pohltí a vzniknou charakteristické absorpční čáry, typické pro prvek nebo sloučeninu. Spektroskopie je tedy jedním ze základních nástrojů analýzy složení v chemii, medicíně (např. toxické látky v krvi) a potravinářství. A to nejen optická, ale třeba i infračervená, nebo spektroskopie jakožto měření energií vylétajících elektronů namísto světla.
Vědeckým oborem, který kromě světla a obecně elektromagnetického záření moc jiných nástrojů ani nemá, je astrofyzika. Při zkoumání vesmíru hraje spektroskopie nezastupitelnou roli. Umožňuje i studium fyzikálních podmínek – konkrétní spektrální čáry totiž mohou vznikat jen za určité teploty a tlaku, z posuvu čar ve spektru (Dopplerův jev) zase vědci usuzují na pohyby těles.