En spektral linje er en mørk eller lys linje i et ellers jevnt og kontinuerlig elektromagnetisk spektrum . Spektrallinjer er resultatet av samspillet mellom et kvantesystem (vanligvis atomer , men noen ganger også molekyler eller atomkjerner) og elektromagnetisk stråling .
Den spektrale linjen er et fenomen som forblir intetanende til de første studiene utført med prismer på nedbrytning av lys. Den første observasjonen av en spektral linje er den av natriumemisjonslinjen , utført av Thomas Melvill i 1752. Ved hjelp av et prisme observerer han lyset fra salter som er oppvarmet av en flamme og oppdager en intens linje., Gul.
Oppdagelsen av absorpsjonslinjene dateres tilbake til XIX - tallet , i 1802 , da William Hyde Wollaston i sin forskning på prismer, svarte striper observert i spekteret av lys, brytes vanligvis kontinuerlig. Disse linjene har det spesielle at de ikke endrer posisjon uansett prisme og dets materiale. Joseph von Fraunhofer bruker denne observasjonen til å utvikle en måte å måle bølgelengder på ved å ta disse linjene som referanse. Gustav Robert Kirchhoff utvikler dermed et referansesystem som bruker de mest synlige linjene i solspekteret og nummererer dem. Disse referanselinjene blir deretter brukt til å kalibrere måle- og spektroskopiinstrumenter.
Mens Fraunhofer måler bølgelengdene til noen av spektrallinjene, er det Anders Jonas Ångström som bestemmer bølgelengdene til nesten tusen absorpsjonslinjer ved hjelp av gitter. Av diffraksjon i 1869, og erstatter Fraunhofer-linjesystemet og Kirchhoff-nummereringen til 1890.
Først kalt spektralanalyse, ble studien av linjene og bølgelengdene til et spektrum gradvis "spektroskopi" på 1880-tallet.
I et kvantesystem kan energi ikke ta vilkårlige verdier: bare visse veldig presise energinivåer er mulige. Vi sier at energien i systemet er kvantifisert. Tilstandsendringene tilsvarer derfor også meget presise energiværdier som markerer forskjellen i energi mellom det endelige nivået og det opprinnelige nivået.
Dersom energien i systemet reduseres ved hjelp av en mengde Δ E , et kvantum av elektromagnetisk stråling, kalt et foton , vil avgis i frekvens ν gitt av Planck-Einstein forhold : Δ E = hν hvor h er Plancks konstant . Motsatt, hvis systemet absorberer et foton med frekvens ν , øker dets energi med en mengde hν . Når energien i systemet kvantiseres, blir frekvensen til fotonene som sendes ut eller absorberes av systemet. Dette forklarer hvorfor spektrumet til et kvantesystem består av et sett med diskrete linjer i stedet for et kontinuerlig spektrum der alle frekvenser er tilstede i varierende mengder.
En varm gass avkjøles ved å sende ut fotoner; det observerte spekteret består derfor av et sett med lyse linjer på en mørk bakgrunn. Vi snakker da om utslippslinjer (eksempel motsatt). Omvendt, hvis gassen er kald, men opplyst av en kontinuerlig kilde, absorberer gassen fotoner, og spekteret består av et sett med mørke linjer på en lysende bakgrunn: vi snakker da om absorpsjonslinjer .
Absorpsjons- og utslippslinjene er svært spesifikke for hvert stoff, og kan brukes til å enkelt identifisere den kjemiske sammensetningen av ethvert medium som kan passere lys (vanligvis gass). De avhenger også av de fysiske forholdene til gassen, så de blir mye brukt for å bestemme den kjemiske sammensetningen av stjerner og andre himmellegemer som ikke kan analyseres på andre måter, samt deres fysiske tilstander.
Andre mekanismer enn atom-foton-interaksjonen kan produsere spektrale linjer. Avhengig av den nøyaktige fysiske interaksjonen (med molekyler, enkeltpartikler, etc.) endres frekvensen til de involverte fotonene betydelig, og linjer kan observeres gjennom det elektromagnetiske spekteret: fra radiobølger til gammastråler .
I praksis har linjene ikke en perfekt bestemt frekvens, men spredt over et frekvensbånd. Det er mange grunner til denne utvidelsen:
De utladningslamper fremstille emisjonslinjer av gass som brukes.