Banyak informasi yang Anda dapatkan tentang alam semesta berasal dari radiasi elektromagnetik, atau cahaya, yang Anda terima dari jangkauan jauh di alam semesta. Dengan menganalisis cahaya itulah Anda dapat menentukan komposisi nebula, misalnya. Informasi yang diperoleh dari radiasi elektromagnetik ini datang dalam bentuk spektrum, atau pola cahaya.
Pola-pola ini terbentuk karena mekanika kuantum, yang menyatakan bahwa elektron yang mengorbit atom hanya dapat memiliki energi tertentu. Konsep ini dapat dipahami dengan menggunakanModel Bohratom, yang menggambarkan atom sebagai elektron yang mengorbit di sekitar inti pusat pada tingkat energi yang sangat spesifik.
Radiasi Elektromagnetik dan Foton
Dalam atom, elektron hanya dapat memiliki nilai energi diskrit, dan himpunan tertentu dari nilai energi yang mungkin adalah unik untuk setiap elemen atom. Elektron dapat bergerak naik turun dalam tingkat energi dengan menyerap atau memancarkan foton yang sangat spesifik panjang gelombang (sesuai dengan jumlah energi tertentu yang sama dengan perbedaan energi antara tingkat).
Akibatnya, elemen dapat diidentifikasi dengan garis spektral yang berbeda, di mana garis muncul pada panjang gelombang yang sesuai dengan perbedaan energi antara tingkat energi atom elemen. Pola garis spektral unik untuk setiap elemen, yang berarti spektrum adalah cara yang efektif untukmengidentifikasi elemen, terutama dari jarak jauh atau dalam jumlah yang sangat kecil.
Spektrum serapan diperoleh dengan membombardir elemen dengan cahaya dari banyak panjang gelombang dan mendeteksi panjang gelombang mana yang diserap. Spektrum emisi diperoleh dengan memanaskan elemen untuk memaksa elektron ke keadaan tereksitasi, dan kemudian mendeteksi panjang gelombang cahaya mana yang dipancarkan saat elektron jatuh kembali ke tingkat energi yang lebih rendah. Spektrum ini akan sering menjadi kebalikan satu sama lain.
Spektroskopi adalah bagaimana astronom mengidentifikasi unsur-unsur dalam objek astronomi, seperti nebula, bintang, planet dan atmosfer planet. Spektrum juga dapat memberi tahu para astronom seberapa cepat objek astronomi bergerak menjauh atau menuju Bumi, dan seberapa banyak spektrum elemen tertentu bergeser merah atau biru. (Pergeseran spektrum ini disebabkan oleh efek Doppler.)
Untuk menemukan panjang gelombang atau frekuensi foton yang dipancarkan atau diserap melalui transisi tingkat energi elektron, pertama hitung perbedaan energi antara dua tingkat energi:
\Delta E=-13.6\bigg(\frac{1}{n_f^2}-\frac{1}{n_i^2}\bigg)
Perbedaan energi ini kemudian dapat digunakan dalam persamaan untuk energi foton,
\Delta E = hf=\frac{hc}{\lambda}
di mana h adalah konstanta Planck, f adalah frekuensi, dan adalah panjang gelombang foton yang dipancarkan atau diserap, dan c adalah kecepatan cahaya.
Spektrum Penyerapan
Ketika spektrum kontinu terjadi pada gas dingin (energi rendah), atom-atom dalam gas tersebut akan menyerap panjang gelombang tertentu dari karakteristik cahaya komposisinya.
Dengan mengambil cahaya yang meninggalkan gas dan menggunakan spektrograf untuk memisahkannya menjadi spektrum panjang gelombang, garis serapan gelap akan muncul, yaitu garis di mana cahaya dengan panjang gelombang itu tidak terdeteksi. Ini menciptakan sebuahspektrum penyerapan.
Penempatan yang tepat dari garis-garis tersebut adalah karakteristik dari komposisi atom dan molekul gas. Para ilmuwan dapat membaca garis-garis seperti kode batang yang memberi tahu mereka apa yang terdiri dari gas.
Spektrum Emisi
Sebaliknya, gas panas terdiri dari atom dan molekul dalam keadaan tereksitasi. Elektron dalam atom gas ini akan melompat ke tingkat energi yang lebih rendah saat gas memancarkan energi berlebihnya. Dengan demikian, panjang gelombang cahaya yang sangat spesifik dilepaskan.
Dengan mengambil cahaya ini dan menggunakan spektroskopi untuk memisahkannya menjadi spektrum panjang gelombang, garis pancaran terang akan muncul hanya pada panjang gelombang tertentu yang sesuai dengan foton yang dipancarkan ketika elektron melompat ke energi yang lebih rendah negara bagian. Ini menciptakan spektrum emisi.
Seperti halnya spektrum serapan, penempatan garis-garis tersebut secara tepat merupakan karakteristik komposisi atom dan molekul gas. Para ilmuwan dapat membaca garis-garis seperti kode batang yang memberi tahu mereka apa yang terdiri dari gas. Juga, panjang gelombang karakteristik adalah sama untuk kedua jenis spektrum. Garis-garis gelap pada spektrum absorpsi akan terletak pada tempat yang sama dengan garis emisi pada spektrum emisi.
Hukum Analisis Spektral Kirchoff
Pada tahun 1859, Gustav Kirchoff merangkum spektrum dalam tiga aturan ringkas:
Hukum Kirchoff I:gas padat, cair, atau berkepadatan tinggi yang bercahaya menghasilkan spektrum kontinu. Ini berarti memancarkan cahaya dari semua panjang gelombang. Contoh ideal dari hal ini disebut benda hitam.
Hukum Kedua Kirchoff:Gas panas berdensitas rendah menghasilkan spektrum garis emisi.
Hukum Kirchoff Ketiga:Sumber spektrum kontinu yang dilihat melalui gas berdensitas rendah yang dingin menghasilkan spektrum garis serapan.
Radiasi benda hitam
Jika suatu benda berada pada suhu di atas nol mutlak, benda itu memancarkan radiasi. Benda hitam adalah objek ideal teoritis yang menyerap semua panjang gelombang cahaya dan memancarkan semua panjang gelombang cahaya. Ini akan memancarkan panjang gelombang cahaya yang berbeda pada intensitas yang berbeda, dan distribusi intensitas disebut spektrum benda hitam. Spektrum ini hanya bergantung pada suhu benda hitam.
Foton dengan panjang gelombang yang berbeda memiliki energi yang berbeda. Untuk spektrum benda hitam memiliki emisi intensitas tinggi dari panjang gelombang tertentu berarti ia memancarkan foton energi tertentu pada tingkat yang tinggi. Tingkat ini juga disebutaliran. Fluks semua panjang gelombang akan meningkat dengan meningkatnya suhu benda hitam.
Seringkali lebih mudah bagi para astronom untuk memodelkan bintang sebagai benda hitam. Meskipun ini tidak selalu akurat, sering kali memberikan perkiraan yang baik tentang suhu bintang dengan mengamati pada berapa panjang gelombang puncak spektrum benda hitam bintang (panjang gelombang cahaya yang dipancarkan dengan tertinggi intensitas).
Puncak spektrum benda hitam menurun dalam panjang gelombang dengan meningkatnya suhu benda hitam. Ini dikenal sebagai Hukum Perpindahan Wien.
Hubungan penting lainnya untuk benda hitam adalah Hukum Stefan-Boltzmann, yang menyatakan bahwa total energi yang dipancarkan oleh benda hitam sebanding dengan suhu absolutnya yang diambil dari pangkat empat: E T4.
Seri Emisi dan Penyerapan Hidrogen
Garis-garis dalam spektrum hidrogen sering dibagi menjadi "deret" berdasarkan tingkat energi yang lebih rendah dalam transisinya.
Deret Lyman adalah deret transisi ke atau dari keadaan energi terendah, atau keadaan dasar. Foton yang sesuai dengan transisi ini cenderung memiliki panjang gelombang di bagian spektrum ultraviolet.
Deret Balmer adalah deret transisi ke atau dari keadaan tereksitasi pertama, satu tingkat di atas keadaan dasar. (Namun, ini tidak menghitung transisi antara keadaan dasar dan keadaan tereksitasi pertama, karena transisi itu adalah bagian dari deret Lyman.) Foton yang sesuai dengan transisi ini cenderung memiliki panjang gelombang di bagian yang terlihat dari spektrum.
Transisi ke atau dari keadaan tereksitasi kedua disebut deret Paschen, dan transisi ke atau dari keadaan tereksitasi ketiga disebut deret Brackett. Seri ini sangat penting untuk penelitian astronomi, karena hidrogen adalah elemen paling umum di alam semesta. Ini juga merupakan elemen utama yang membentuk bintang.