Uma linha espectral é uma linha escura ou clara em um espectro eletromagnético uniforme e contínuo. As linhas espectrais são o resultado da interação entre um sistema quântico (geralmente átomos , mas às vezes também moléculas ou núcleos atômicos) e radiação eletromagnética .
A linha espectral é um fenômeno que permaneceu insuspeito até os primeiros estudos realizados com prismas sobre a decomposição da luz. A primeira observação de uma linha espectral é a da linha de emissão de sódio , feita por Thomas Melvill em 1752. Usando um prisma, ele observa a luz de sais aquecidos por uma chama e descobre uma linha intensa., Amarela.
A descoberta das linhas de absorção que datam do XIX ° século , em 1802 , quando William Hyde Wollaston , em sua pesquisa sobre os prismas, listras pretas observada no espectro de luz geralmente continuamente decomposto. Essas linhas têm a particularidade de não mudar de posição seja qual for o prisma e seu material. Joseph von Fraunhofer usa essa observação para desenvolver uma maneira de medir os comprimentos de onda tomando essas linhas como referência. Gustav Robert Kirchhoff desenvolve assim um sistema de referências, utilizando as linhas mais visíveis do espectro solar e numerando-as. Essas linhas de referência são então usadas para calibrar instrumentos de medição e espectroscopia.
Enquanto Fraunhofer mede o comprimento de onda de algumas das linhas espectrais, é Anders Jonas Ångström quem determina os comprimentos de onda de quase mil linhas de absorção usando grades de difração em 1869, suplantando o sistema de linhas Fraunhofer e a numeração de Kirchhoff até 1890.
Chamado inicialmente de análise espectral, o estudo das linhas e comprimentos de onda de um espectro tornou-se gradualmente “espectroscopia” na década de 1880.
Em um sistema quântico, a energia não pode assumir valores arbitrários: apenas certos níveis de energia muito precisos são possíveis. Dizemos que a energia do sistema é quantizada. As mudanças de estado, portanto, também correspondem a valores de energia muito precisos, marcando a diferença de energia entre o nível final e o nível original.
Se a energia do sistema diminuir em uma quantidade Δ E , um quantum de radiação eletromagnética, denominado fóton , será emitido na frequência ν dada pela relação de Planck-Einstein : Δ E = hν onde h é a constante de Planck . Inversamente, se o sistema absorve um fóton de freqüência ν , sua energia aumenta em uma quantidade hν . À medida que a energia do sistema é quantizada, também o é a frequência dos fótons emitidos ou absorvidos pelo sistema. Isso explica por que o espectro de um sistema quântico é composto de um conjunto de linhas discretas, em vez de um espectro contínuo, onde todas as frequências estão presentes em quantidades variáveis.
Um gás quente esfria emitindo fótons; o espectro observado, portanto, consiste em um conjunto de linhas claras em um fundo escuro. Em seguida, falamos de linhas de emissão (exemplo ao lado). Inversamente, se o gás é frio, mas iluminado por uma fonte contínua, o gás absorve fótons e o espectro é formado por um conjunto de linhas escuras sobre um fundo luminoso: falamos então de linhas de absorção .
As linhas de absorção e emissão são altamente específicas para cada substância e podem ser usadas para identificar facilmente a composição química de qualquer meio capaz de passar luz (geralmente gás). Eles também dependem das condições físicas do gás, por isso são amplamente utilizados para determinar a composição química de estrelas e outros corpos celestes que não podem ser analisados por outros meios, bem como seus estados físicos.
Outros mecanismos além da interação átomo-fóton podem produzir linhas espectrais. Dependendo da interação física exata (com moléculas, partículas individuais, etc.), a frequência dos fótons envolvidos muda consideravelmente, e as linhas podem ser observadas em todo o espectro eletromagnético: de ondas de rádio a raios gama .
Na prática, as linhas não têm uma frequência perfeitamente determinada, mas estão espalhadas por uma banda de frequência. Existem muitos motivos para esta expansão:
As lâmpadas de descarga produzem linhas de emissão do gás utilizado.