Absorptiospektri

Yleiskuvaus sähkö­magneettisen säteilyn absorptiosta. Valkoinen valo, jossa on kaikkia aallon­pituuksia, kohdistetaan näytteeseen. Näytteessä fotonit, joiden energia vastaa molekyylin kahden energiatason erotusta, absor­boituvat ja saattavat molekyylit viritys­tiloihin. Muut fotonit kulkevat näytteen läpi, ja jos säteilyn aallon­pituus on näkyvän valon alueella, läpi kulkeneen säteilyn väri vastaa absor­boituneen valon värin komplementtiväriä.

Esimerkki absoprtio­spektrin käytöstä ekso­planeetan ja sen kemiallisen koostumuksen havaitsemiseen vuodelta 2001. Kun ekso­planeetta kulkee HD 209458-tähden editse, siinä oleva natrium absorboi osan tähden säteilystä. Kuvalähde: A. Feild, STScI, NASA.

Absorptiospektri on valon tai muun sähkö­magneettisen säteilyn spektri, joka on muuten jatkuva, mutta jossa säteilyn absorption vuoksi tietyt aallon­pituudet omaavaa säteilyä on tavallista vähemmän.

Absorptiospektrejä käytetään hyväksi kemiallisessa analyysissa tiettyjen aineiden esiintymisen toteamiseen ja usein niiden pitoisuuk­sienkin mittaamiseen. Niillä on käyttöä myös molekyyli- ja atomi­fysiikan tutkimuksessa. Spektrit voidaan havaita spektro­skoopin avulla.

Absorptiospektri saadaan aikaan, jos tutkittavan näytteen lämpötila on alempi kuin sen takana olevan säteilylähteen, joka lähettää kaikkia taajuuksia sisältävää valkoista valoa.

Säteilyn absorboituminen

Auringon spektri, jossa näkyvät Fraunhoferin viivat.

Väliaineen absorptio­spektri osoittaa, mikä osa sen läpi kulkeneesta säteilystä milläkin taajuudella tai aallon­pituudella on absorboitunut. Spektri riippuu siitä, mitä atomeja ja molekyylejä väliaine sisältää. Enimmäkseen absorboituu säteily, jonka taajuus vastaa atomin tai molekyylin kahden mahdollisen energiatason välistä kvantti­mekaanista energia­erotusta. Kutakin tällaista energia­eroa vastaa tietty spektriviiva, ja absorptio­spektrissä on tyypillisesti useita tällaisia viivoja.

Taajuudet, joiden kohdalla on absorptio­viiva, sekä niiden suhteelliset voimakkuudet, riippuvat pää­asiassa atomin tai molekyylin rakenteesta ja elektroni­rakenteesta. Jonkin verran niihin vaikuttavat myös molekyylien väliset vuoro­vaikutukset, kiinteissä aineissa niiden kiderakenne sekä eräät ympäristö­tekijät kuten lämpötila, paine ja ulkoinen sähkökenttä.

Absorptio- ja emissiospektri

Raudan emissio­spektri

Säteilyn emissio on ilmiö, jossa aine lähettää sähkö­magneettista säteilyä. Atomi voi lähettää säteilyä samoilla taajuuksilla kuin vastaan­ottaakin sitä, ja sen vuoksi saman aineen absorptio- ja emissiospektrien spektri­viivat vastaavat samoja taajuuksia. Niiden voimakkuudet emissio- ja absorptio­spektrissä voivat kuitenkin suuresti poiketa toisistaan.

Sovelluksia

NASA:n laboratoriossa tuotettu rikkidioksidijään absorptio­spektri verrattuna Jupiterin Io-kuun absorptio­spektriin. Kuvalähde: NASA, Bernard Schmitt, UKIRT.

Analyyttinen kemia

Absorptiospektrejä käytetään paljon hyväksi kemiallisessa analyysissä, koska niiden avulla voidaan tarkoin tunnistaa aineet ja niiden määrät seoksessa. Esimerkiksi infrapunasäteilyn absorption avulla voidaan mitata ilmansaasteiden pitoisuudet ilmasta, sillä niiden absorptio­spektrit eroavat selvästi typen, hapen ja vesihöyryn absorptiospektreistä.

Absorptiospektrien avulla voidaan tunnistaa näytteet vertaamalla spektriä tunnettujen aineiden taulukoituihin spektri­viivoihin. Monissa tapauksissa kemiallinen yhdiste voidaan tunnistaa, vaikka sen spektriä ei olisikaan taulukoitu. Infra­puna­säteilyn alueella on olemassa tyypillisiä absorptioviivoja, jotka osoittavat aineessa olevan esimerkiksi hiilen ja vedyn taikka hiilen ja hapen välisiä sidoksia.

Absorptiota aiheuttavan aineen määrä voidaan mitata Beerin ja Lambertin lain avulla. Tällöin on tunnettava kunkin aineen absorptiokerroin, jotka on taulukoitu.

Kaukokartoitus

Yksi spektroskopian erityinen etu on, että sen avulla aineiden läsnäolo näytteessä voidaan tunnistaa ilman, että näytteen ja havainto­laitteen on oltava kosketuksissa toisiinsa. Säteily, joka on kulkenut näytteen läpi, kuljettaa mukanaan spektri­viivoihin liittyvän informaation, mihin perustuu kaukokartoitus. Jos tutkittava aine on esimerkiksi myrkyllistä tai syövyttävää, mittaukset voidaan suorittaa väli­matkan päästä ilman, että niistä aiheutuu vahinkoa mittauksen suorittajalle tai laitteille.

Kaukokartoituksessa on kuitenkin otettava huomioon, että myös tutkittavan näytteen ja laitteen välissä oleva aine, esimerkiksi ilma, absorboi säteilyä joillakin taajuuksilla. Nämä absorptio­viivat saattavat olla vaikeasti erotettavissa tutkittavan näytteen aiheuttamista. Koska lisäksi kauko­kartoituksessa käytettävän säteilyn lähde usein on auringon valo tai jonkin lämpimän kappaleen lämpösäteily, on myös pystyttävä erottamaan toisistaan absorptio­spektri ja alku­peräisen säteilyn spektrin vaihtelut.

Tähtitiede

Hubble-avaruusteleskoopin havaitsema absorptiospekti

Absorptiospektreillä on erityisen suuri merkitys tähti­tieteessä, jossa niitä käytetään taivaankappaleiden koostumuksen selvittämiseen. Tällöin kohteen suuren etäisyyden vuoksi niiden lähettämä sähkö­magneettinen säteily onkin ainoa keino, jolla niiden koostumuksesta saadaan tietoa. Taivaan­kappaleiden säteily sisältää sekä absorptio- että emissio­spektreihin perustuvaa informaatiota.

Absorptiospektrien avulla on tutkittu myös tähtien­välistä ainetta ja ekso­planeettoja.

Atomi- ja molekyylifysiikka

Teoreettisten, varsinkin kvantti­mekaanisten mallien perusteella atomien ja molekyylien absorptio­spektrit voidaan liittää niiden muihin fysikaalisiin ominaisuuksiin kuten elektroni­rakenteeseen, atomi- tai molekyylimassaan ja molekyylin geometriseen rakenteeseen. Näin ollen nämä voidaan selvittää mittaamalla absorptio­spektrejä. Esimerkiksi mikroaaltospektroskopian avulla voidaan atomien välisten sidosten pituudet ja niiden väliset kulmat mitata hyvin tarkasti.

Spektrimittauksien avulla on myös voitu selvittää, kuinka tarkkoja teoreettiset ennusteet ovat. Esimerkiksi vetyatomin absorptio­spektrissä esiintyvää Lambin siirtymää ei sen havaitsemisen aikaan tunnettu teoria voinut selittää. Sen löytyminen johtikin kvantti­elektro­dynamiikan kehittämiseen, ja sen avulla voidaan varsin tarkasti mitata myös hienorakennevakio.

Aiheesta muualla

• Auringon absorptiospektri
• Näkyvän absorptiospektrin simulaatio (Arkistoitu – Internet Archive)
• HITRAN-tietokanta, joka sisältää tietoa monien molekyylien absorptiospektreistä (Arkistoitu – Internet Archive)