Spektroskopi dan Cap Jari Unsur

Spektroskopi ialah kaedah mengkaji cahaya dengan menguraikannya mengikut panjang gelombang, lalu memerhatikan corak yang terhasil. Setiap unsur berinteraksi dengan cahaya mengikut pola tertentu, maka pola itu boleh digunakan seperti cap jari untuk mengenal pasti unsur yang hadir. Cahaya bintang yang sampai ke Bumi membawa pola tersebut, dan itulah yang dibaca oleh ahli astronomi.

Cahaya putih terdiri daripada banyak warna

Apabila cahaya putih melalui prisma kaca, cahaya itu dibiaskan dan terurai menjadi jalur warna daripada merah hingga ungu. Setiap warna mempunyai panjang gelombang yang berbeza, dan panjang gelombang yang berbeza dibiaskan dengan sudut yang sedikit berlainan. Jalur warna yang terhasil dipanggil spektrum. Alat yang direka untuk menguraikan dan mengukur cahaya dengan lebih teliti dipanggil spektroskop atau spektrometer, dan banyak alat moden menggunakan parut pembelau sebagai ganti prisma.

Tiga jenis spektrum

Spektrum berterusan ialah jalur warna yang bersambung tanpa jurang, dan ia dihasilkan oleh objek pepejal, cecair atau gas yang sangat tumpat dan panas, misalnya filamen mentol pijar. Spektrum pancaran garis pula terdiri daripada beberapa garis terang pada latar yang gelap, dan ia terhasil apabila gas yang jarang dan panas memancarkan cahaya. Spektrum serapan ialah spektrum berterusan yang dipintas garis gelap, dan ia terhasil apabila cahaya daripada sumber panas melalui gas yang lebih sejuk yang menyerap panjang gelombang tertentu.

Bintang sering menunjukkan spektrum serapan. Lapisan dalam bintang yang panas dan tumpat memancarkan cahaya berterusan, manakala gas yang lebih sejuk pada lapisan luarnya menyerap panjang gelombang tertentu sebelum cahaya itu meninggalkan bintang.

Mengapa setiap unsur mempunyai pola garis sendiri

Dalam model atom peringkat sekolah, elektron dalam atom hanya boleh berada pada aras tenaga tertentu. Apabila elektron berpindah daripada satu aras ke aras lain, atom menyerap atau memancarkan foton yang tenaganya sepadan dengan perbezaan antara kedua-dua aras itu. Tenaga foton berkait dengan panjang gelombangnya, maka setiap peralihan menghasilkan satu garis pada kedudukan tertentu dalam spektrum. Oleh sebab set aras tenaga berbeza antara unsur, pola garis sesuatu unsur boleh dijadikan tanda pengenalannya.

Cara garis spektrum dibaca

Ahli astronomi merakam spektrum bintang, kemudian mengukur kedudukan setiap garis. Kedudukan itu dibandingkan dengan senarai panjang gelombang unsur yang telah diukur di makmal. Jika beberapa garis daripada bintang sepadan dengan pola sesuatu unsur, kehadiran unsur itu disokong oleh bukti. Kekuatan garis pula boleh memberikan petunjuk tentang kuantiti unsur itu, tetapi tafsirannya lebih rumit kerana ia turut bergantung pada suhu dan keadaan gas.

Sejarah penemuan

Pada awal abad ke-19, Joseph von Fraunhofer memerhatikan bahawa spektrum cahaya Matahari dipintas ratusan garis gelap yang kedudukannya tetap. Pada sekitar tahun 1859, Gustav Kirchhoff dan Robert Bunsen menunjukkan di makmal bahawa setiap unsur yang dipanaskan memancarkan garis terang tertentu, dan garis itu sepadan dengan garis gelap dalam spektrum Matahari. Hubungan ini menunjukkan bahawa unsur yang dikenali di Bumi juga hadir pada Matahari.

Contoh yang terkenal ialah helium. Pada tahun 1868, ahli astronomi memerhatikan garis kuning dalam spektrum Matahari yang tidak sepadan dengan mana-mana unsur yang diketahui ketika itu. Unsur baharu itu dinamakan helium, sempena perkataan Yunani untuk Matahari, dan ia hanya ditemui di Bumi pada tahun 1895.

Bagaimana kita mengetahui hal ini?