Gepubliceerd op 18-03-2021

Spectraalanalyse

betekenis & definitie

Wanneer men door middel van een spectroscoop (zie Spectraalapparaten) het licht onderzoekt van een witgloeienden platinadraad of van een electrisch gloeilampje, dan ziet men een spectrum, dat zich van het rood tot het violet onafgebroken uitstrekt. Een dergelijk spectrum noemt men een continu of doorloopend spectrum. Hetzelfde spectrum geven alle gloeiende vaste stoffen, vloeistoffen en gassen, de laatste als zij onder sterken druk staan.

Het eenige verschil, dat men erin waarneemt bestaat in een verschil in helderheid en in een meer of minder sterk aanwezig zijn der blauwe en violette stralen al naarmate de temperatuur hooger of lager is. Ook het spectrum van eene gewone gasvlam is een doorloopend spectrum, omdat haar licht veroorzaakt wordt door de gloeiende nog onverbrande kooldeeltjes, die een der ontledingsproducten van het gas zijn.

Brengt men echter in de vlam van een Bunsenschen brander, die zelf nagenoeg geen licht geeft, een weinig natrium of ook chloornatrium (keukenzout), dan kleurt zij zich sterk geel en het spectrum bestaat nu uit één gele streep, die zich bij een spectroscoop met meer prisma’s in twee strepen splitst. Hetzelfde spectrum geven de andere verbindingen van het natrium en men schrijft dus de gele streep toe aan het gasvormige natrium, dat bij de temperatuur der vlam uit de verbinding wordt afgescheiden en lichtgevend wordt.

De verbindingen van die andere metalen, die evenals het natrium in de vlam gasvormig worden, zooals kalium, barium, strontium enz. geven evenals natrium een spectrum, bestaande uit eenige heldere strepen op donkeren grond.

Een dergelijk spectrum noemt men een lijnenof strepen-spectrum; het wordt steeds verkregen als de lichtbron een lichtgevend gas is.

Met denzelfden spectroscoop gezien vindt men de strepen van dezelfde enkelvoudige stof onder dezelfde omstandigheden in gasvorm lichtgevend altijd op dezelfde plaats, en het lijnenspectrum kan dus dienen om deze stof te herkennen. Deze reactie is zeer gevoelig; zoo kan men met den spectroscoop reeds 1/3000000 milligram natrium in de vlam van een Bunsenschen brander aantoonen. Daar het natrium een zeer veel voorkomend element is en als chloornatrium altijd in de stofjes van den dampkring aanwezig is, ziet men de gele natriumstreep * ook steeds in liet spectrum van de vlam van den Bunsenschen brander. De methode om door middel van den spectroscoop eene stof te herkennen, heet spectraal-analyse; zij is het eerst toegepast door Bunsen en Kirchhoff.

Een eerste resultaat van de toepassing der spectraalanalyse was de ontdekking door Bunsen van de zeldzame metalen Caerium en Rubidium (in 1860) in het Dürkheimer mineraalwater, niettegenstaande zij hierin slechts in zoo geringe hoeveelheid voorkomen, dat hij uit 44000 kilogram mineraalwater slechts 16,5 gram van de chloriden dezer metalen verkreeg.

Om het spectrum te vormen van de stoffen, die zooals waterstof, zuurstof, stikstof, enz. tot de gassen behooren, vult men met deze gassen onder een druk van 1 a 2 millimeter Geisslersche buizen, dat zijn buizen, waar aan de einden platinadraden zijn ingesmolten, en laat er nu door middel van een inductieklos van Rhümkorff voortdurend electrische vonken doorheen slaan. Iedere vonk doet het gas een oogenblik licht geven. Het spectrum van waterstof, op deze manier gevormd, bestaat uit drie heldere strepen, een roeden, een lichtblauwen en een donkerblauwen; stikstof geeft een groot aantal strepen door 'het geheele spectrum en bij dit gas vindt men in het blauw en violet in plaats van smalle strepen breedere banden, die aan den kant van het rood scherp begrensd zijn en aan den anderen kant vloeiend uitloopen; de koolwaterstofverbindingen geven eveneens een spectrum, dat zich door eenige banden kenmerkt.

Het spectrum der zware metalen zooals ijzer, koper, zink enz., die in de vlam niet vluchtig worden, verkrijgt men door electrische vonken te laten overspringen tusschen twee draden van dit metaal, die op eenige millimeters afstand van elkaar zijn geplaatst. Het spectrum, dat men nu ziet, bestaat uit de strepen, die het metaal geeft en uit de strepen van het gas, waarin de vonk overspringt. Men moet dus het spectrum van het gas kennen, om te kunnen uitmaken welke strepen van het metaal afkomstig zijn. Ook kan men de spectra van twee metalen b.v. zink en koper met elkaar vergelijken en zien welke strepen samenvallen; deze zijn van het gas afkomstig, de andere van de metalen.

Zet men voor den spleet van den spectroscoop eene vlam, die door natrium geel gekleurd is, dan krijgt men, zooals wij gezien hebben, een spectrum, bestaande uit eene gele streep. Plaatst men nu op eenigen afstand achter de natriumvlam eene gewone gasvlam, dan ziet men de gele streep nog met als achtergrond een continuspectrum. Vervangt men echter de gasvlam door eene zeer sterke lichtbron b.v. Drummond’s kalklicht of electrisch booglicht, dan ziet men een doorloopend spectrum, waarin de gele streep vervangen is door een fijne zwarte streep precies op dezelfde plaats, waar eerst de gele streep was. Deze omkeering der natriumstreep werd het eerst verkregen door Kirchhoff, die tevens de verklaring van het verschijnsel gaf: de natriumvlam laat al het licht van de sterke lichtbron ongehinderd door, behalve het licht van de kleur, die zij zelf uitzendt, en is nu dit licht in de tweede lichtbron sterker dan in de eerste, dan is de plaats donkerder dan de omgeving, omdat daar alleen het licht van de zwakke lichtbron valt.

Kirchhoff heeft verder aangetoond, dat niet alleen natriumdamp door absorbtie zoo’n zwarte streep kan veroorzaken, maar dat als algemeene wet geldt, dat iedere stof juist die stralen absorbeert, die zij bij dezelfde temperatuur uitzendt, en men is er dan ook in geslaagd van verscheiden andere stoffen het spectrum om te keeren. Men noemt zoo’n spectrum een absorbtie-spectrum.



Ontleden wij nu met den spectroscoop het zonlicht, dan zien wij, dat het zonnespectrum is een absorbtie-spectrum met een zeer groot aantal fijne zwarte strepen. Deze strepen waren reeds vroeger door Fraunhofer gebruikt om bij het bepalen der brekingscoëfficienten bepaalde gedeelten van het spectrum aan te wijzen en de helderste werden door hem aangeduid door de letters A tot H. Zij dragen naar hem den naam van Fraunhofer-strepen.

De streep D valt nu juist samen met de natriumstreep en is dus het bewijs, dat het zonlicht is gegaan door natriumdamp. Behalve van natrium, ziet men ook nog van verscheiden andere stoffen de strepen van het lijnenspsctrum samenvallen met donkere strepen in het zonnespectrum b.v. van ijzer over de honderd strepen. Slechts weinige dezer strepen zijn ontstaan door absorbtie in den dampkring der aarde, de meeste in den dampkring der zon, zooals onder anderen daaruit blijkt, dat zij bij lagen stand der zon niet duidelijker zijn dan bij hoogen, ofschoon in het laatste geval het licht een kortere i weg in den dampkring der aarde heeft afgelegd. De zon bestaat dus uit een kern, die een doorloopend spectrum geeft en die omgeven is door een gasvormig omhulsel, waarvan wij de samenstelling door den spectroscoop kunnen onderzoeken, en dat blijkt te bestaan uit stoffen, die ook op aarde voorkomen. De maan en de planeten geven natuurlijk, omdat hun licht teruggekaatst zonlicht is, hetzelfde spectrum als de zon, alleen worden bij de planeten, die een dampkring hebben, sommige strepen door absorbtie versterkt en komen er enkele nieuwe bij. De vaste sterren geven evenals de zon een absorbtiespectrum en bestaan dus evenals deze uit een witgloeienden kern omgeven door een dampkring; de nevelvlekken geven een spectrum met heldere lijnen en bestaan dus uit lichtgevende gassen en de kometen geven een bandenspectrum, overeenkomende met dat der koolwaterstoffen, en sommige bovendien de natriumstreep en een flauw doorloopend spectrum.

Behalve omtrent de samenstelling der hemellichamen, kan ons de spectroscoop ook nog iets leeren omtrent hunne beweging. Evenals van een geluidgevend lichaam 'de toon hooger of lager wordt, al naarmate het lichaam tot ons nadert of zich van ons verwijdert, zoo zal ook de kleur van het licht meer naar het violet of naar het rood veranderen, al naarmate eene lichtbron zich naar ons toe of van ons af beweegt. (Beginsel van Doppler.) Wegens de groote snelheid van het licht vergeleken bij die der sterren, is echter deze kleurverandering te gering om zonder spectroscoop te kunnen worden waargenomen, maar openbaart zij zich met dit werktuig bij sommige sterren door een kleine verschuiving der strepen, zoodat men dus op deze wijze heeft gevonden, dat zij zich in de visierlijn bewegen, wat op geene andere wijze kon worden aangetoond.

Ten slotte zij nog met een enkel woord vermeld, dat de spectroscoop soms toepassing heeft gevonden in de gerechtelijke geneeskunde ter herkenning van sporen van bloed en van vergiftiging door inademing van koolstofmonoxyde en in de industrie b.v. bij de bereiding van het Bessemerstaal.