Spektroskopia

Auringon näkyvän valon spektri, jossa erottuvat Fraunhoferin viivat tummina pystyraitoina.

Spektroskopia on menetelmä, jolla analysoidaan tutkittavasta kohteesta vastaanotettua säteilyä, esimerkiksi valoa. Säteily hajotetaan eri aallonpituus- tai taajuuskomponentteihinsa spektroskoopilla, jolla tuotettua säteilyn hajotelmaa sanotaan spektriksi eli kirjoksi. Tutkittava säteily voi olla sähkömagneettista säteilyä kuten infrapuna- eli lämpösäteilyä, radioaaltoja, ultraviolettia tai vaikkapa hiukkassäteilyä.

Äänen spektrirakenteen tutkiminen on mahdollista spektrografilla.

Kappaleen lähettämän tai heijastaman säteilyn voimakkuudesta eri aallonpituusalueilla voidaan esimerkiksi päätellä, mitä alkuaineita kappaleessa on. Spektri voidaan esittää joko kirkkaina ja tummina nauhoina tai käyränä tai lukusarjana.

Spektroskoopista ja Auringon spektristä

Spektroskooppi on laite, joka hajottaa esimerkiksi Auringon valon prisman avulla sateenkaaren väreihin eli spektriksi. Prisman sijasta valon hajottamiseen voidaan käyttää ohuita hyvin lähekkäisiä yhdensuuntaisia lasiin tai muuhun vastaavaan aineeseen tehtyjä uurteita, hilaa. Sateenkaaren väreihin hajotetussa Auringon valossa huomataan tummia viivoja, jotka ovat peräisin eri alkuaineista. Näitä tutkimalla kyetään päättelemään muun muassa, mitä alkuaineita Auringossa on.

Tietty alkuaine aiheuttaa tietylle aallonpituudelle oman viivansa. Sama alkuaine aiheuttaa monia viivoja spektriin. Auringon spektrissä havaitut tummat spektriviivat ovat absorptio­viivoja, jotka syntyvät Auringon kaasukehän kaasun imiessä alla olevan Auringon pinnan lähettämää valoa. Kirkkaat emissioviivat syntyvät hehkuvien kaasujen säteillessä itse tietyillä aallonpituuksilla. Auringon absorptioviivojen alla olevat sateenkaaren värit ovat jatkuva spektri. Tähtien spektrejä tutkimalla saadaan selville myös tähtien liikenopeuksia, koska spektriviivat siirtyvät kappaleen liikkuessa Dopplerin ilmiön takia. Tähden liikenopeus katsojaa kohti tai katsojasta poispäin on säteisnopeus. Spektroskoopilla voidaan myös mitata painovoima Auringon pinnalla. Myös taivaankappaleesta heijastunutta valoa voidaan analysoida ja näin päätellä esimerkiksi planeettojen kaasukehien, komeettojen ytimien ja asteroidien koostumuksia.

Loisteputken spektri, jossa voimakkaat elohopean emissioviivat

Yleistä spektroskopiasta

Spektroskopiassa tutkittava kohde usein säteilee, absorboi (imee) tai heijastaa saamaansa säteilyä. Kohteeseen saapuva säteily aiheuttaa, tai kohteessa itsessään tapahtuu muutoksia, jotka näkyvät spektrissä. Nämä muutokset ovat esimerkiksi elektronien ja kemiallisten sidosten siirtymiä. Aine joko varaa energiaa (absorptio) tai luovuttaa sitä (emissio). Tutkittavasta aineesta heijastuneesta (kiinteät näytteet), aineen läpi päässeestä (nestemäiset, liukoiset sekä kaasumaiset näytteet) tai aineen tuottamasta säteilystä (esimerkiksi auringon spektri) pystytään spektroskopian menetelmillä päättelemään hyvin paljon tutkittavan aineen ominaisuuksista. Muun muassa tutkittavan kohteen alkuainekoostumus saadaan spektroskooppisilla menetelmillä selville. Spektroskopian suuri erottelukyky perustuu siihen, että absorptio ja emissio usein liittyvät materiaalin rakenteessa tapahtuviin resonanssi-ilmiöihin, jotka voivat olla taajuuden suhteen hyvin selektiivisiä ja eri aineille luonteenomaisia.

Spektroskopian osa-alueita

Spektroskopia jaetaan osa-alueisiin tutkimuksessa käytettävien sähkömagneettisen säteilyn taajuuksien suhteen, ja eri taajuuksia varten on kehitetty erillisiä laitteita. Näitä osa-alueita ovat muiden muassa röntgen-, ultravioletti- ja IR- eli infrapunaspektroskopia.

Ultravioletti-(UV)- ja infrapuna-(IR)-spektroskopiaa sekä erityisesti massa- ja ydinmagneettinen resonanssispektroskopiaa (NMR) käytetään laajasti kemian alan tutkimuksessa. UV-, IR- ja NMR-menetelmissä käytettävä säteily ei ole liian voimakasta ja monet tutkittavat aineet pysyvät entisellään. Liian voimakasta, korkeataajuuksista sähkömagneettista säteilyä käytettäessä yhdisteen sisäiset voimat eivät enää pidä yhdistettä vakaana, vaan se hajoaa.

Ultraviolettispektroskopialla kyetään selvittämään esimerkiksi aromaattisten ja syklisten yhdisteiden ominaisuuksia, ja IR-spektroskopialla voidaan usein selvittää koko molekyylin rakenne, mikäli tutkittava aine on riittävän yksinkertainen. Yhdessä muiden menetelmien kanssa näitä molempia menetelmiä on käytetty muun muassa Human Genome Projectissa. Hiukkassäteilyä lajitellaan massaspektroskopialla erimassaisten hiukkasten ryhmiin.

Alla on kuvattuna -CH₂- -ryhmän erilaiset tavat värähdellä. Orgaanisten yhdisteiden sidosten värähtelyä havaitaan muun muassa IR-aallonpituuksia mitattaessa.

Optinen spektroskooppi

Optisessa eli näkyvän valon alueen spektroskoopissa Auringosta tulevan valon hajottaa prisma tai hila. Spektrometria luonnehtii sen kyky erotella aallonpituuksia erilleen. Tämä on erotuskyky. Himmeille kohteille käytetään alhaisempaa erotuskykyä. Hilaspektroskoopissa keskeisiä elementtejä ovat rako, jonka läpi kohteen valo pääsee, ja hila, jossa on uurteita. Uurretiheys on 100–1000 viivaa/mm.

Katso myös

• Prisma
• Spektri
• Spektriviiva ja kielletyt viivat
• Spektriluokka
• Spektrofotometria
• Mustan kappaleen säteily
• Ydinmagneettinen resonanssispektroskopia
• Massaspektroskopia

Aiheesta muualla

• Kuvia tai muita tiedostoja aiheesta Spektroskopia Wikimedia Commonsissa