Színképelemzés

A színképelemzés (spektrálanalízis) a megfigyelt objektumokból érkező láthatófény színképének vizsgálata. A különböző hullámhosszú elnyelési sávok intenzitásából meghatározhatjuk a vizsgált anyag összetevőit.

Spiritusz láng, előtérben a spektruma

Története

Legrégibb ismert előzménye Thomas Melvill (Melville) skót természetfilozófus munkássága. Melvill(e) 1752-ben megjelent, Observations on light and colours című könyvében leírta, hogyan bontotta fel prizmával a különféle, alkoholban oldott sókkal színezett lángokat.

A színképvonalak

1802-ben William Hyde Wollaston angol orvos és természettudós Isaac Newton eredményei nyomán a Nap színképét vizsgálta. A szűk résen átengedett napfényt ő is üvegprizmával bontotta színekre, és megfigyelte, hogy az egymásba olvadó színeket helyenként sötét sávok szakítják meg. A színkép vörös tartományában két ilyen vonalat látott, a zöldben hármat, a kék–ibolya tartományban kettőt. Tévesen arra gondolt, hogy ezek valamiféle, a színeket elválasztó határok, és nem foglalkozott tovább a problémával. Munkássága azonban felkeltette mások, egyebek közt Fraunhofer figyelmét.

1814-ben Joseph von Fraunhofer német fizikus a maga összeállította készülékével – az első spektroszkóppal – már 574 vonalat azonosított a színkép látható tartományában. Azóta még több ilyen, a színképből hiányzó vonalról tudunk, és ezeket hagyományosan Fraunhofer-féle vonalaknak nevezzük. Abban az időben ezt a tényt csak érdekesnek tartották, de nem gondolták róla, hogy fontos is lehet. A vonalak megjelenéséről Robert Wilhelm Bunsen és Gustav Robert Kirchhoff adott valamiféle magyarázatot először.

Az elemek azonosítása

Gustav Robert Kirchhoff német (porosz) fizikus az 1850-es évek közepén az elektromos áramok kutatásával foglalkozott a breslaui egyetemen. 1858-ban egy alkalommal egy professzornak segédkezett, amikor észrevette, hogy a gázok fényspektrumában fényes vonalak jelentek meg, és eszébe jutott, hogy ez hasonlít ahhoz, amit Fraunhofer cikkében olvasott. További vizsgálatokkal kiderült, hogy ezeknek a fényes vonalaknak a hullámhossza pontosan megegyezik azoknak a fekete vonalaknak a hullámhosszával, amelyeket Fraunhofer a Nap látható spektrumában tanulmányozott. Kirchhoff, miközben azon gondolkozott, mit is jelenthet, hogy valamilyen gáz lángjában és a Nap színképében azonos hullámhosszhoz tartozó vonalakat lát, rájött, hogy ha a fény spektrumát egy prizmával felbontja, a hullámhosszak különbsége jobban látható. Azt megelőzően különböző színű szűrőket használtak a színek felbontására, így azonban az áthaladó fény intenzitása nagyon lecsökkent, kevésbé volt látható.

Kirchhoff arra gondolt, hogy az ő módszerével minden fényes csúcsot ki tud majd mutatni, bármely gáz állítja is azt elő. A gyakorlatban azonban nem működött a dolog, ugyanis a gázokat megvilágító láng túl fényes volt, és zavarta a megfigyelést.

Robert Wilhelm Bunsen német kémikus 1858-ban kezdte el tanulmányozni egyes kémiai elemek lángfestését. A róla elnevezett égő 1480 °C-nál is melegebb igen forró lángja alig sugárzott látható fényt, ezért különösen alkalmas volt a lángfestés vizsgálatára. Bunsen az elszíneződés kalibrálásához színes szűrőket használt. Kirchhoff hívta fel a figyelmét arra, hogy a spektroszkópiai módszer nagyobb felbontást és pontosabb méréseket eredményez.

Kirchhoff és Bunsen 1859-ben a Heidelbergi Egyetemen kezdte el a közös munkát. Hat hónap alatt megtervezték és megépítették az első prizmás spektroszkópot, amiben a Bunsen égőjében elégetett gáz fényét egy keskeny résen vezették át, utána a fénynyalábot kollimátor lencsével szűkítették, majd Kirchhoff prizmájával bontották a szivárvány színeire. A színképet a mikroszkópokéhoz hasonló okulárral figyelték meg. Prizmát és okulárt korábban Fraunhofer is használt; a „spektroszkópnak” elnevezett berendezés többi eleme azonban új volt. Megállapították, hogy felforrósítva minden elem a rá jellemző hullámhosszakon sugároz. Így például a nátrium fényes vonalai a színkép sárga tartományában vannak (ezt már Fraunhofer is tudta, ezekkel ellenőrizte az üvegek optikai tulajdonságait), a réz vonalai a kékeszöld szakaszon stb. Elkezdték katalogizálni a kémiai elemeket és kisugárzott hullámhosszaikat. A Nap színképét vizsgálva rájöttek (főleg Kirchhoff munkájával), hogy a Fraunhofer-vonalak is a különböző elemek sajátosságai, a Nap légkörében azonban ezek az elemek — továbbra is a rájuk jellemző hullámhosszakon — nem kisugározzák, hanem éppen ellenkezőleg, elnyelik a Nap sokkal forróbb belsejéből érkező fényt. Az ismert elemeknek megfelelő Fraunhofer-vonalakból tehát meg tudták mondani, milyen elemeket tartalmaz a Nap légköre. Felfedezésüket Kirchhoff 1859. október 27-én mutatta be Berlinben a Porosz Tudományos Akadémiának. Ma ezt a napot tekintik az asztrofizika születésnapjának (bár ezt a tudományágat csak 1890 óta hívják így). Ezután több csillag színképét is megvizsgálták ezzel a módszerrel.

Színképvonalaik alapján két új elemet is fölfedeztek: 1860-ban a céziumot (nevének jelentése: „égszínkék”, amit a spektrográfban látható kékes színe után kapott), 1861-ben pedig a rubídiumot (aminek nevét a latin „piros” szóból képezték). Ezzel a tudással és a kémiai elemek általuk megmért katalógusával felfegyverkezve Kirchhoff és Bunsen végezte el először tengervíz teljes kémiai elemzését. A nyomukban haladó tudósok 1880-ig összesen tíz új elemet fedeztek fel színképvonalaik alapján.

A héliumot 1868-ban, a nap kromoszférájában észlelt, addig ismeretlen színképvonal alapján fedezte fel egymástól függetlenül Pierre Janssen és Lockyer. A Földön először 22 évvel később, uránércből sikerült kimutatni.

A sorozatok

1885-ben Johann Jakob Balmer svájci matematikus megállapította, hogy a látható fény tartományában a hidrogén színképvonalainak hullámhosszai szabályszerű rendben követik egymást. Próbálgatásos (iteratív) módszerrel meghatározta a róla elnevezett, meglehetősen egyszerű formulát, amely meglehetősen pontosan megadja, hol helyezkedhetnek el a hidrogén színképvonalai. Az így meghatározott hullámhosszok az ugyancsak róla elnevezett Balmer-sorozat tagjai.

Balmer eredményeit a színkép infravörös, illetve ultraibolya részeire Johannes Rydberg terjesztette ki. Az általa 1888. november 5-én publikált képletben szereplő konstans a róla elnevezett Rydberg-állandó, a hidrogén színképvonalainak teljes sora pedig hat különböző sorozatból áll attól függően, hogy mennyi a formulában szereplő két paraméter közül az n₁-nek nevezett kisebbik értéke:

• n₁= 1: Lyman-sorozat,
• n₁= 2: Balmer-sorozat,
• n₁= 3: Paschen-sorozat,
• n₁= 4: Brackett-sorozat,
• n₁= 5: Pfund-sorozat
• n₁= 6: Humphreys-sorozat

A Rydberg által felismert összefüggést Walther Ritz a kettejükről elnevezett Rydberg–Ritz-féle kombinációs elv alkalmazásával terjesztette ki a többi elemre is. Ennek képlete e Rydberg–Ritz-formula.

A színképelemzés és a spektroszkópia

A színképelemzés jelentősen hozzájárult az anyagról szerzett ismeretekhez. Segítségével tárták fel az atomok elektronszerkezetének sajátosságait, határozták meg az elektronállapotokat jellemző kvantumszámokat; végeredményben ez tette lehetővé a kémiai elemek periódusos rendszerének elméleti értelmezését.

A módszer elve alapján kialakult tudományos vizsgálati eljárások összességére a spektroszkópia kifejezést használják. Mára az elektromágneses sugárzás teljes hullámhossz-, illetve frekvenciatartományán működik már spektroszkópiai módszer, és ide sorolják a részecskesugárzások megfigyelésével foglalkozó eljárásokat is.

A módszerrel megismerhető a molekulák szerkezete, a molekulákon belüli atomtávolságok, valamint az elektronok elrendeződése. Számos elemet, elemek izotópjait, molekulát a színképelemzés révén fedeztek fel. Anyagok összetételének vizsgálatánál széleskörűen alkalmazzák az asztrofizikában, a technikában, a régészetben, a rendőri nyomozásban stb.

Források

• Clark, Donald: Encyclopedia of Great Inventors and Discoveries. London: Marshall Cavendish Books, 1991
• Diagram Group: Facts on File Chemistry Handbook. New York: Facts on File, 2000
• Laidler, Keith: World of Physical Chemistry. New York: Oxford University Press, 1995
• Lomask, Milton: Invention and Technology Great Lives. New York: Charles Scribner’s Sons, 1994
• Philbin, Tom: The 100 Greatest Inventions of All Time. New York: Citadel Press, 2003
• Schwacz, Joe: The Man Behind the Burner: Robert Bunsen’s Discoveries Changed the World of Chemistry in More Ways Than One. Chicago: Thomas Gale, 2005
• Tuniz, R. J.: Accelerator Mass Spectrometry. New York: CRC Press, 1998
• John Gribbin: 13,8. A Világegyetem valódi kora és a mindenség elmélete nyomában. Icon Books, London, 2015. Magyarul: Akkord Kiadó, 2016. Talentum Könyvek, p. 37–38. ISBN 978 963 252 093 3; ISSN 1586-8419
• Flórián Károly: A színképelemzés mint a tudományágakat áthidaló analitikai kémiai módszer múltja, mai helyzete és jövője; MTA, Bp., 2015 (Székfoglalók a Magyar Tudományos Akadémián)

Kapcsolódó cikkek

• fény: a látható elektromágneses színkép, a fény sebessége
• elektromágneses sugárzás
• csillagászati színképelemzés: az asztrofizika egyik legeredményesebb vizsgálati módszere
• fotometria (csillagászati fényességmérés)