Info saamine aine ehitusest
Kas dispersioonist on ka mingit kasu või saab prisma abil ainult nautida värvidemängu? On küll kasu, sest tänu dispersioonile saame uurida igasuguse valguse koostist. Valgus tekib aga aatomites. Järelikult, valguse spektri uurimine annab meile infot aatomite ja ka aine ehituse kohta.
Esimesena vaatles prismast läbiläinud valgust põhjalikumalt Newton, kes nimetas sealjuures tekkinud vikerkaarevärvilist valgusriba spektriks. Sel ajal ei teatud, millist informatsiooni spektrid sisaldavad ja seepärast neid ka eriti ei uuritud. Tänapäeval on spektrite saamine ja uurimine laialt levinud, alates teadustest ja lõpetades kriminalistikaga. Spektrist info saamiseks on oluline teada, millistest komponentidest valgus koosneb ja kui intensiivsed nad on. Sellepärast peab ka spektri mõiste olema täpsemalt määratletud kui „vikerkaarevärviline valgusriba”, seda enam, et spektreid on väga mitmesuguseid. Füüsikas öeldakse, et spekter näitab valguse intensiivsuse jaotust lainepikkuste või sageduste järgi.
- Spektraalaparaat
- Spektrite liigid
- Spektraalanalüüs
Spektraalaparaat
Kuidas spektrit saadakse ja uuritakse?
Spektreid saadakse ja uuritakse spektraalaparaatidega. Need on riistad, mis lubavad kindlaks teha valguse spektri. Selleks peavad nad võimalikult täpselt eristama erineva lainepikkusega valguslaineid. Spektraalaparaadi põhiosa on prisma või difraktsioonivõre. Seal eralduvad erinevate lainepikkustega valguslained üksteisest.
Vaatleme lähemalt prismaspektraalaparaadi ehitust. Uuritav valgus suunatakse aparaadi ossa, mida nimetatakse kollimaatoriks. See on toru, mille ühes otsas paikneb sisenemispilu 1, teises koondav lääts 2 (vt joon 11.1).
Mis on kollimaator ja kuidas ta töötab?
Kollimaator on vajalik paralleelse valgusvihu saamiseks. Kuidas seda tehakse? Tuletame meelde põhikoolis õpitut. Seal saime teada, et kui koondavale läätsele langeb paralleelne valgusvihk, siis see koondub läätse fookuses. Kui aga valgusallikas asub läätse fookuses, väljub läätsest paralleelne valgusvihk.
Kollimaatoris on valgusallikaks pilu, mille kaudu valgus siseneb spektraalaparaati. Pilu asub läätse 2 fookuses ja kollimaatorist väljub paralleelne valgusvihk, mis suunatakse prismale 3.
Valguse läbiminek prismast
Spektri tekkimine
Prismas toimub valguse dispersioon, s.t erineva värvusega valgusvihud hakkavad levima erinevais suundades. Kuna prismale langesid kõik valguslained ühesuguse nurga all (paralleelne valgusvihk), siis on ka prismast väljuvad valgusvihud paralleelsed. Iga valgusvihk on aga ise värvusega ja levib teistest pisut erinevas suunas. Need erivärvilised valgusvihud koondatakse läätsega 4 tasandisse, mis asub läätse fookuses. Seda tasandit nimetatakse fokaaltasandiks. Fokaaltasandis koonduvad erivärvilised valgusvihud erinevatesse kohtadesse ja tekibki spekter. Selle jäädvustamiseks pannakse fokaaltasandisse fotoplaat või film 5. Sellist spektraalaparaati nimetatakse spektrograafiks.
Erinevaid spektraalaparaate
Kui spektrit ei fotografeerita, vaid registreeritakse mõnel muul viisil (näiteks elektriliselt), siis nimetatakse aparaati spektromeetriks. Kui spektrit tahetakse ainult vaadata, siis asendatakse lääts 4 ja registreeriv seade 5 pikksilmaga. Sel juhul kutsutakse aparaati spektroskoobiks. Kõikides spektraalaparaatides on ka vastav seade erivärviliste valguste lainepikkuste (sageduste) määramiseks.
Valguse intensiivsuse mõõtmine
Spektraalaparaat võimaldab määrata ka valguse intensiivsust. Palja silmaga ei saa seda eriti täpselt teha, sest valgusaistingud on inimestel erinevad. Valgusenergia mõõtmiseks kasutatakse mõõteriistu, mis annavad objektiivset infot.
Kõige kindlam on kasutada sellist kiirguse vastuvõtjat, mille tundlikkus ei olene valguse lainepikkusest. Selliseks vastuvõtjaks on absoluutselt must keha ehk absoluutneeldur. See on keha, mis neelab kogu talle langeva valgusenergia. Selle tagajärjel vastuvõtja temperatuur tõuseb ja selle tõusu abil saab kindlaks teha neeldunud valgusenergia hulga. Paraku on absoluutselt must keha ideaalne objekt, mida reaalsuses ei esine. Seepärast tuleb kasutada kehi, mis on võimalikult sarnased absoluutselt mustale kehale.
Rohkem kasutatakse valgusenergia mõõtmiseks teistsuguseid vastuvõtjaid (tajureid), nagu fotoelement, fotoelektronkordisti, fototakisti, fotodiood jt. Nende kasutamisel tuleb aga arvestada, et nende tundlikkus oleneb valguse lainepikkusest.
Joonisel 11.2 on toodud näiteks kahe tajuri, fotoelektronkordisti (1) ja fototakisti (2) tundlikkus. Võrdluseks on toodud ka inimsilma tundlikkus (3). Loomulikult ei tule joonisest järeldada, et fotoelektronkordistid töötavad spektri lühemalainelises osas ja fototakistid pikemalainelises osas. Fotoelektronkordistite ja fototakistite tüüpe on palju ning igale tüübile vastab erinev tundlikkuse kõver.
Spektrite liigid
Kiirgusspektrid jagunevad pidev- ja joonspektriteks.
Me teame, et valgus tekib aine aatomeis. Iga aine aatomid on isesuguse ehitusega. Seega peaks erinevad ained kiirgama erineva koostisega valgust. Nii see ongi, kusjuures valguse koostis oleneb aine olekust (gaasiline, vedel, tahke), rõhust, temperatuurist jne. Ainete kiirgust iseloomustavad kiirgusspektrid. Neid võib jaotada kaheks liigiks: pidev- ja joonspektriteks.
Pidevspekter ja selle allikad
Pidevspekter on selline, kus on esindatud kõik lainepikkused (vt joonis allpool, I). Selles pole tühje kohti ja spektroskoobis võib näha värvilist riba. Katsed näitavad, et pideva spektri annavad kõrge temperatuurini kuumutatud tahked kehad ja vedelikud ning tihedad hõõguvad gaasid. Pidevspekter on näiteks Päikese või hõõglambi valgusel.
Kuidas tekib pidevspekter?
Kuigi üksikud aatomid kiirgavad kindla lainepikkusega valgust, on neile iseloomulik kiirguse koostis „ära rikutud” aatomite omavahelistest vastastikmõjudest. See tähendab, et iga aatom kiirgab pisut teistsuguse lainepikkusega valgust kui ülejäänud. Kuna aatomeid on aines tohutult palju, siis on spektris kõikvõimalike pikkustega laineid. Olukord on mõneti sarnane meremühaga, kus on samuti kõikvõimalike kõrgustega helisid. Pideva spektri järgi on raske aineid eristada. Sarnase spektri annavad näiteks hõõguv raud ja volfram.
Pidevspektri olenevus aine temperatuurist
Pidevspektri kuju oleneb aine temperatuurist. Mida kõrgem on temperatuur, seda rohkem valgust kiiratakse. Samuti on pidevspektri maksimum seda lühemate lainepikkuste pool, mida kõrgem on temperatuur (joon 11.3). Näiteks 700 °C kuumutatud raud hõõgub punaselt, aga temperatuuri järjest tõstes muutub kiirgus oranžikaks ja lõpuks kollakaks.
Joonspekter on aine „sõrmejälg”.
Joonspekter koosneb erivärvilistest joontest tumedal taustal (vt allpool, III–VII). Neid jooni nimetatakse kiirgusjoonteks. Iga aine kiirgab valgust ainult kindlail lainepikkustel, mis on iseloomulik sellele ainele. Kiirgusjoonte arv ja intensiivsus iseloomustab just seda ainet. Tihti öeldakse, et joonspekter on aine „sõrmejälg”, seda ei saa teistega segi ajada. Kui pidevspekter meenutab meremüha, siis joonspektrile vastaks laulja hääl, mida on hõlbus ära tunda.
 Hõõglambi spekter |  Päevavalguslambi spekter |
Joonspektri allikad
Joonspektri annavad kõik gaasilised ained madalal rõhul. Joonspektri annab näiteks elavhõbedaauruga täidetud kvartslamp. Samuti saab joonspektrit jälgida, kui viia piirituslambi leeki näiteks keedusoola. Selle tulemusena värvub gaasileek tumekollaseks. Kui see valgus suunata spektroskoopi, näeksime tumedal taustal tugevat kollast spektrijoont. Selle põhjustab NaCl molekulide lagunemisel tekkinud kuum naatriumiaur.
Neeldumisspekter ja selle saamine
Lisaks valguse kiirgamisele ained ka neelavad valgust. Neeldumise olenevust valguse lainepikkusest kirjeldab neeldumisspekter. See näitab, milliste lainepikkustega valguslaineid antud aine neelab.
Seos kiirgus- ja neeldumisspektrite vahel
Kui valge valgus suunata spektraalriista läbi külma, mittehelenduva gaasi, ilmnevad pideva spektri taustal tumedad jooned. Need tekivad sellepärast, et vastava lainepikkusega valgus ei pääse läbi külma gaasi. Valgus neeldub gaasis. Sellised tumedad jooned, nn neeldumisjooned moodustavadki neeldumisspektri.
|
|
Osutub, et külm gaas neelab just selliste lainepikkustega valguslaineid, milliseid ta kuumutatult ise kiirgab. Neeldumisspekter on kiirgusspektri „negatiiv”. See tähendab, et neeldumisspektris asuvad neeldumisjooned samades kohtades kui kiirgusspektris on kiirgusjooned. Näiteks on joonisel toodud Na kiirgus- ja neeldumisspektrid (VII ja VIII). Siin on tegemist optilise resonantsiga. Resonants esineb igasuguste võnkumiste ja lainete puhul. Näiteks klaverikeelt saab panna helisema ka ilma klahvile vajutamata. Selleks tuleb ruumis tekitada just sellele klaverikeelele vastava lainepikkusega helilaine, näiteks mõne teise pilli abil. See helilaine neeldub klaverikeeles ja paneb selle helisema. Järelikult klaverikeel neelab ja kiirgab ühe ja sama lainepikkusega helilaineid. Nii on ka aatomitega, mis kiirgavad ja neelavad ühe ja sama sagedusega valguslaineid.
Päikesespekter
Ka Päikese spektri täpsemal uurimisel võib pidevspektri taustal märgata tervet rida tumedaid jooni (vt lk 77, II). Need on tingitud Päikese atmosfäärist, mis on jahedam kui Päikese valgust kiirgav osa. Neid tumedaid neeldumisjooni Päikese spektris uuris esimesena 1814. a Saksa füüsik Joseph Fraunhofer. Sellepärast nimetatakse neid Fraunhoferi joonteks.
Neeldumisspekter võib olla ka pidev. Näiteks purpurklaas neelab rohekas-kollast valgust ja laseb läbi sinist-violetset ning punast valgust. Sellise klaasi neeldumisspekter on toodud joonisel 11.4.
Spektraalanalüüs
Mis on spektraalanalüüs ja milleks seda kasutatakse?
Nagu eespool öeldud, on joonspekter aine „sõrmejälg”, mis on iseloomulik ainult selle aine aatomeile. Nimetatud asjaolu lubab joonspektri alusel kindlaks teha aine keemilist koostist. Vastavat uurimismeetodit nimetatakse spektraalanalüüsiks. Ainete koostise uurimisel kasutatakse nii kiirgus- kui neeldumisspektreid.
Kuidas toimub spektraalanalüüs?
Spektraalanalüüs on väga tundlik meetod. Selle abil saab kindlaks teha üliväikesi ainekoguseid mingi teise aine koostises. Piltlikult öeldes poleks probleemiks kindlaks teha, kas Võrtsjärve on visatud potitäis tinti või mitte. Eriti häid tulemusi molekulide „äratundmisel” annavad laserspektroskoopia meetodid, mis lubavad eristada isegi üksikuid molekule. Taoliste uuringutega tegelevad ka Tartu füüsikud.
Raskused spektraalanalüüsil
Esmapilgul võib tunduda, et spektraalanalüüs on imelihtne! Tuleb vaid uuritava aine aur helenduma panna ja spekter ära mõõta. Asja teeb lihtsamaks see, et tänaseks on kõikide aatomite spektrid juba kindlaks tehtud ja välja antud vastavad spektritabelid.
Paraku ei ole asi nii lihtne. Raskusi on mitmeid. Proovige näiteks mõne vedeliku auru hõõguma panna! Muidugi võib sellisel juhul uurida auru neeldumisspektrit, kuid paljude aatomite spektrid on keerulised ja võivad omavahel hõlpsasti segi minna.
Omaette probleem on valgusenergia mõõtmine. Kõik see nõuab keerukat ja kallist aparatuuri ning kõrge kvalifikatsiooniga spetsialiste. Teadusharu, mis tegeleb spektraalanalüüsiga, nimetatakse spektroskoopiaks. Spektroskoopia on Eesti füüsikateaduse üks põhisuundi.
Ainete koostise teadmine on oluline mitmes eluvaldkonnas, nagu farmaatsia, mineraloogia, loodushoid, metallurgia, masinaehitus, kriminalistika, rääkimata astrofüüsikast, keemiast ja bioloogiast.
Spektraalanalüüs ja keemiline analüüs
Spektraalanalüüsil on keemilise analüüsi meetoditega võrreldes mitmeid eeliseid. Näiteks ei mõjuta spektraalanalüüs ainete keemilist koostist. Samuti piisab analüüsiks väga väikestest ainekogustest. Ainete koostist saab uurida ka eemalt, ilma ainet laborisse toomata. See lubab uurida näiteks taevakehade koostist.
Universumi keemiline ühtsus
Spektraalanalüüsi abil on kindlaks tehtud Päikese ja tähtede keemiline koostis. Selleks võrreldakse tähtede spektreid meile tuntud keemiliste elementide spektritega. Siiani on tähtedel leitud ainult selliseid keemilisi elemente, mis esinevad ka Maal, s.t kogu Universum koosneb ühesugustest keemilistest elementidest. Mõni element, näiteks heelium, avastati aga Maal hiljem kui Päikesel. Nimelt avastasid astrofüüsikud Päikese spektris selliseid spektrijooni, millele ei vastanud ühegi tuntud elemendi spekter. Alles hiljem avastati Maal element, mille spekter oli sarnane tundmatu „päikeseelemendi” spektriga. Avastamisloo auks nimetati uus element heeliumiks, sest sõna „helios” tähendab kreeka keeles päikest.
Ülesanded
- Kinnitage kaks sirgeäärelist paberitükki väikese plastiliinitükikesega prisma ühele tahule nii, et nende vahele tekiks kitsas pilu. Suunake päikese- või lambivalgus sellele pilule ja vaadake prisma taga oleval valgel lehel tekkivat kujutist. Milliseid muutusi on märgata, kui muuta pilu laiust?
- Esitage difraktsioonivõrega spektraalaparaadi ehitust kirjeldav skeem.
- Visandage graafik, millel on kujutatud tiheda gaasi kiirgusspekter temperatuuril 4000 K. Abiks on joonis 11.3.
- Visandage valgusfiltri neeldumisspekter, kui on teada, et filter laseb läbi ainult: a) rohelist ja kollast valgust; b) sinist ja violetset valgust; c) punast valgust. Kõik muud värvi valgused neelduvad filtris.
- Visandage valgusfiltri neeldumisspekter, kui on teada, et filter neelab täielikult: a) punase valguse; b) rohelise valguse; c) helesinise ja kollase valguse. Kõik muud värvi valgused läbivad filtri neeldumata.
?
- Miks kasutatakse spektroskoobis spektri vaatlemiseks teleskoopi (pikksilma), aga mitte mõnda teist optikariista? Vihje: prismast väljuvad erivärvilised paralleelsed valgusvihud.
- Kuidas seletada asjaolu, et aatomid kiirgavad ja neelavad ühe ja sama lainepikkusega valgust?
- Kuu spektrit uurides saab otsustada tema pinna koostise üle. Kuidas?
- Kas fotoelektronkordisti, fototakisti ja inimsilma tundlikkuse maksimaalsed väärtused on ka tegelikkuses ühesugused, nagu on toodud joonisel 11.2?
- Miks on ohusignaaliks valitud punane valgus?
- Ekraanile tekitatakse laualambi spekter üks kord prisma abil, teine kord difraktsioonivõre abil. Kuidas on võimalik ekraanile vaadates kindlaks teha, kumb spekter on tekitatud võrega?
🌈 Oluline
- Spektraalaparaat on riist spektrite saamiseks.
- Pidevspektris on esindatud kõik lainepikkused.
- Joonspekter on ainet iseloomustav kiirgus- või neeldumisjoonte kogum.
- Kiirgusspekter näitab, milliste lainepikkustega valguslaineid aine kiirgab. Kiirgusspekter võib olla nii joon- kui ka pidevspekter.
- Neeldumisspekter näitab, milliste lainepikkustega valguslaineid aine neelab. Neeldumisspekter võib olla nii joon- kui ka pidevspekter.
- Külm gaas neelab sellise lainepikkusega valgust, mida ta kuumutatult kiirgab.
- Aine keemilise koostise kindlakstegemist selle kiirgus- või neeldumisspektri järgi nimetatakse spektraalanalüüsiks.
