Ανδρέας Ιωάννου Κασσέτας

Φάσματα.

Εννοιολογική οικοδόμηση και

«μυστικά» της πειραματικής έρευνας

Η έννοια φάσμα - και ειδικότερα το λεγόμενο «οπτικό» φάσμα -

Οικοδομήθηκε πάνω στην αισθητηριακή εμπειρία μιας έγχρωμης ταινίας και

αναφέρεται γενικώς σε μία συγκεκριμένη ακτινοβολία.

Πρακτικά προκύπτει εάν η συγκεκριμένη ακτινοβολία προσπέσει στη ΣΧΙΣΜΗ ( του κατευθυντήρα ) και

στη συνέχεια στο ΠΡΙΣΜΑ του φασματοσκοπίου.

Την έγχρωμη ταινία η οποία δημιουργείται την ονομάζουμε ΦΑΣΜΑ ΤΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ

1. Φάσμα εκπομπής ενός σώματος

Το φάσμα εκπομπής ενός σώματος είναι μια έγχρωμη ταινία αναφερόμενη σε συγκεκριμένο σώμα. Δημιουργείται εφόσον το σώμα είναι αυτόφωτο, εκπέμπει με άλλα λόγια το «δικό του φως». Εάν το σώμα δεν είναι αυτόφωτο χρειάζεται να φροντίσουμε να γίνει αυτόφωτο. Υπό αυτή την προϋπόθεση ως

ΦΑΣΜΑ ΕΚΠΟΜΠΗΣ ΤΟΥ ΣΩΜΑΤΟΣ ορίζεται το φάσμα της ακτινοβολίας την οποία εκπέμπει.

Πρακτικά το φάσμα αυτό προκύπτει εάν η ακτινοβολία προσπέσει στη ΣΧΙΣΜΗ και στη συνέχεια στο ΠΡΙΣΜΑ του φασματοσκοπίου.

Πρακτικά μπορούμε να μετατρέψουμε ένα ετερόφωτο στερεό σώμα – όπως λόγου χάριν ένα σιδερένιο καρφί- σε αυτόφωτο με το να αυξήσουμε τη θερμοκρασία του, να δημιουργήσουμε δηλαδή ένα διάπυρο στερεό.

Εάν το εκπέμπον αυτόφωτο σώμα είναι ένα διάπυρο στερεό το φάσμα του είναι μία συνεχής ταινία με τα χρώματα σε συνεχή σειρά ( από το ερυθρό προς το ιώδες) το φάσμα του δεν παρουσιάζει ενδιαφέρον για τη Χημεία. Δεν μας προσφέρει δηλαδή καμία πληροφορία για τη χημική σύσταση του σώματος που εκπέμπει. Μας προσφέρει ωστόσο πληροφορία για τη θερμοκρασία του εκπέμποντος.

Με τον τρόπο αυτό, «ανακρίνοντας» δηλαδή το φως τέτοιων αντικειμένων οι φυσικοί κατέληξαν σε συμπεράσματα για τη θερμοκρασία τους. Το ίδιο ισχύει και στην περίπτωση που το εκπέμπον σώμα είναι ένα διάπυρο υγρό.

Εάν το εκπέμπον σώμα είναι αέριο ή ατμός το φάσμα του θα είναι γραμμικό, μια σειρά δηλαδή από λεπτές λωρίδες εφόσον βέβαια η ΣΧΙΣΜΗ του φασματοσκοπίου είναι μια λεπτή ΣΧΙΣΜΗ. Γιατί αν στη θέση της σχισμής υπάρχει μια τρύπα, αντί για λωρίδες, θα δημιουργούνται έγχρωμες κηλίδες

Το γραμμικό φάσμα ενός αερίου και χαρακτηριστικό των ουσιών που εκπέμπουν. Είναι συνεπώς ιδιαίτερα πολύτιμο για τη Χημεία. Μπορούμε, βασιζόμενοι σε αυτό, να οδηγηθούμε σε εγγυημένα συμπεράσματα για τη χημική σύσταση των ουσιών που εκπέμπουν.

«Προκειμένου για ένα σώμα - ουσία - το οποίο σε συνήθεις συνθήκες είναι στερεό – όπως λόγου χάριν το νάτριο ή ο χαλκός – το μετατρέπουμε σε ατμό θερμαίνοντάς το σε υψηλή θερμοκρασία. Σε αυτή την περίπτωση η φλόγα του λύχνου Bunsen (για το νάτριο) και το υψηλής θερμοκρασίας βολταϊκό τόξο (για τον χαλκό) είναι μία καλή επιλογή

Τι θα κάνουμε όμως προκειμένου ένα αόρατο αέριο να γίνει αυτόφωτο; Πώς θα «πείσουμε» ένα αέριο - όπως το υδρογόνο, το οξυγόνο ή το άζωτο - να «βγάλει» το δικό του φως; Το ερώτημα ήταν ένα από τα κυρίαρχα ερωτήματα των ευρωπαίων φυσικών του 19^ου αιώνα μέχρι που - αρχικά οι Γερμανοί και αργότερα οι Άγγλοι– κατά τη δεκαετία του 1850 τα «κατάφεραν. Εμπιστεύτηκαν την ΑΝΤΛΙΑ ΑΕΡΟΣ και την έννοια ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΑΓΩΓΙΜΟΤΗΤΑ και οι συνέπειες, για την εξέλιξη της Φυσικής και της Χημείας, ήταν ανυπολόγιστες. Ένας γυάλινος σωλήνας με το αέριο, αραίωση του αερίου με την αντλία του Geissler και στα άκρα του σωλήνα υψηλή τάση. Τα αόρατα αέρια άρχισαν το ένα μετά το άλλο να πείθονται και «διεγειρόμενα» να εκπέμπουν το δικό τους φως. Και χωρίς να είναι ΘΕΡΜΑ ΑΕΡΙΑ. Περίπου εν ψυχρώ.

Τα χημικά στοιχεία αφήνουν

τα δακτυλικά τους αποτυπώματα

Οι μεγάλοι πρωταγωνιστές ήταν όλοι Γερμανοί και ανάμεσα τους ο άνθρωπος που έδωσε στο φασματοσκόπιο την σημερινή περίπου μορφή, εκείνος που πρώτος υλοποίησε την ιδέα της αξιοποίησης των φασμάτων από τη Χημεία και την Αστρονομία, ο πατέρας της φασματοσκοπίας, ο Gustav Kirchhoff. Και ήταν αυτός που διέκρινε ότι, μέσα από τα φάσματα των αερίων, το φως των διαφόρων ουσιών άφηνε τα «δακτυλικά αποτυπώματα» των χημικών στοιχείων που το εξέπεμπαν. Και όχι μόνο αυτό. Νέα άγνωστα χημικά στοιχεία άρχισαν να στέλνουν το μήνυμα ότι «πάντοτε υπήρχαν». Το 1860 αυτό που ο πατέρας Γουσταύος θα το βάφτιζε Zäsium - ΚΑΙΣΙΟ - «ήρθε στο φως του ανθρώπινου γνωρίζω» ως ένα άγνωστο μέχρι τότε μέλος της γνωστής οικογένειας των αλκαλίων για να ακολουθήσει ένα ακόμα. Ο Kirchhoff το είπε Rubidium, οι Έλληνες ΡΟΥΒΙΔΙΟ, ήταν και αυτό της οικογένειας των αλκαλίων. Και οι χημικοί όλου του Κόσμου ήταν βέβαια ξετρελαμένοι με την ανακάλυψη . Οι αστρονόμοι επίσης . Η ανάκριση του φωτός των άστρων προκειμένου το φως να «ομολογήσει» και να μας αποκαλύψει «τι υπάρχει στον Ουρανό» είχε ήδη αρχίσει. Οι φυσικοί μάλλον δεν θα μπορούσαν να φανταστούν ότι η πόρτα που είχε ανοίξει θα οδηγούσε στην ανακάλυψη του ηλεκτρονίου και των ακτίνων Χ και λίγο αργότερα στην πρόταση για τη δομή του Ατόμου και στον Niels Bohr.

Τα γραμμικά φάσματα εκπομπής ορισμένων στοιχείων

http://home.achilles.net/~jtalbot/data/elements/hydrogen.html ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ

http://home.achilles.net/~jtalbot/data/elements/helium.html ΗΛΙΟΥ

http://home.achilles.net/~jtalbot/data/elements/lithium.html ΛΙΘΙΟΥ

http://home.achilles.net/~jtalbot/data/elements/carbon.html ΑΝΘΡΑΚΑ

http://home.achilles.net/~jtalbot/data/elements/nitrogen.html ΑΖΩΤΟΥ

http://home.achilles.net/~jtalbot/data/elements/oxygen.html ΟΞΥΓΟΝΟΥ

http://home.achilles.net/~jtalbot/data/elements/sodium.html ΝΑΤΡΙΟΥ

2. Φάσμα απορρόφησης ενός ΔΙΑΦΑΝΟΥΣ σώματος

Το φάσμα απορρόφησης ενός σώματος είναι εικόνα αναφερόμενη σε συγκεκριμένο σώμα. Δημιουργείται εφόσον στο διαφανές αυτό σώμα προσπέσει λευκό φως και στη συνέχεια οι ακτινοβολίες που θα περάσουν από το διαφανές σώμα - και δεν θα απορροφηθούν – προσπέσουν στη ΣΧΙΣΜΗ και μετά στο ΠΡΙΣΜΑ του φασματοσκοπίου.

Ως ΦΑΣΜΑ, δηλαδή, ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗΣ ενός διαφανούς ΣΩΜΑΤΟΣ ορίζεται το φάσμα της ακτινοβολίας η οποία διέρχεται από αυτό μετά την πρόσπτωση λευκού φωτός.

Για να πάρουμε δηλαδή ένα φάσμα απορρόφησης δεν χρειάζεται να «αναγκάσουμε» το σώμα να «βγάλει» το δικό του φως. Η προϋπόθεση είναι να διαθέτουμε μία πηγή λευκού φωτός, ένα φασματοσκόπιο και βέβαια το σώμα που μας ενδιαφέρει να είναι διαφανές.

Εάν πριν παρεμβάλλουμε το διαφανές αντικείμενο παρατηρήσουμε το φάσμα θα έχουμε μπροστά μας το συνεχές φάσμα του λευκού φωτός με όλα τα χρώματα, χωρίς να λείπει τίποτα. Εξάλλου το φως της πηγής ΟΡΙΖΕΤΑΙ ως ΛΕΥΚΟ με βάση το φάσμα του, εφόσον δηλαδή του φάσμα είναι η ταινία με όλα τα χρώματα

Εάν το παρεμβαλλόμενο αντικείμενο είναι ένα διαφανές στερεό – λόγου χάριν ένα χρωματιστό γυαλί - ή υγρό – όπως το κόκκινο μελάνι- το φάσμα του παρουσιάζει ελάχιστο ερευνητικό ενδιαφέρον. Η εικόνα που θα έχουμε θα είναι το συνεχές φάσμα του λευκού φωτός στο το οποίο θα υπάρχουν ορισμένες σκοτεινές περιοχές. Το φάσμα αυτό το χαρακτηρίζουμε συνεχές φάσμα απορρόφησης.

Εάν όμως το παρεμβαλλόμενο αντικείμενο είναι αέριο ή ατμός το φάσμα του παρουσιάζει μεγάλο ερευνητικό ενδιαφέρον. Το φάσμα του θα είναι η έγχρωμη ταινία ( του λευκού φωτός ) με σκοτεινές γραμμές σε συγκεκριμένες θέσεις, χαρακτηρίζεται γραμμικό φάσμα απορρόφησης του αερίου και είναι χαρακτηριστικό των ουσιών που συγκροτούν το αέριο. Είναι συνεπώς ένα φάσμα

ιδιαίτερα πολύτιμο για τη Χημεία. Βασιζόμενος σε αυτό, ένας ερευνητής , μπορεί να ανιχνεύσει την ύπαρξη ουσιών που συγκροτούν το αέριο και να ανιχνεύσει λόγου χάριν ίχνη υδρογόνου ή εάν το αέριο συγκροτείται από ένα μόνο στοιχείο να διαπιστώσει ποιο είναι αυτό το στοιχείο.

Ιδιαίτερα σημαντική για την παραπέρα έρευνα υπήρξε και η επισήμανση του μεγάλου της φασματοσκοπίας, η οποία συνήθως αναφέρεται ως Νόμος του Kirchhoff:

Κάθε αέριο ( ή ατμός) απορροφά εκλεκτικά μόνο τις ακτινοβολίες εκείνες τις οποίες διεγειρόμενο θα εξέπεμπε.

Σε κάθε φάσμα απορρόφησης καθεμία από τις σκοτεινές γραμμές βρίσκεται στη θέση ακριβώς που βρίσκεται η έγχρωμη γραμμή στο φάσμα εκπομπής του ίδιου αερίου. Το φάσμα απορρόφησης κάθε αερίου είναι συμπληρωματικό του φάσματος εκπομπής του ίδιου αερίου.

javalab.uoregon.edu/dcaley/elements/Elements.html

Τα γραμμικά φάσματα απορρόφησης και εκπομπής όλων των χημικών στοιχείων

http://phys.educ.ksu.edu/vqm/html/absorption.html

ένα από τα καλύτερα applets για την κατανόηση των φασμάτων απορρόφησης

http://phys.educ.ksu.edu/vqm/html/emission.html

ένα από τα καλύτερα applets για την κατανόηση των φασμάτων εκπομπής

μετακίνηση στη σελίδα ΔΙΔΑΚΤΙΚΗ ΤΗΣ ΦΥΣΙΚΗΣ