สเปกตรัมการแผ่รังสีของธาตุเคมีหรือสารประกอบเคมีคือสเปกตรัมของความถี่ของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่ปล่อยออกมาเนื่องจากอิเล็กตรอนเปลี่ยนสถานะจากสถานะพลังงานสูงไปยังสถานะพลังงานต่ำพลังงานของโฟตอน ที่ปล่อยออกมา จะเท่ากับผลต่างของพลังงานระหว่างสองสถานะนั้น อะตอมแต่ละตัวสามารถเปลี่ยนสถานะอิเล็กตรอนได้หลายแบบ และแต่ละการเปลี่ยนสถานะจะมีผลต่างของพลังงานเฉพาะ การรวมกันของการเปลี่ยนสถานะต่างๆ เหล่านี้ ซึ่งนำไปสู่ความยาวคลื่น ที่แผ่รังสีแตกต่างกัน ทำให้เกิดสเปกตรัมการแผ่รังสี สเปกตรัมการแผ่รังสีของแต่ละธาตุมีเอกลักษณ์เฉพาะตัว ดังนั้น สเปกโทรสโกปี จึง สามารถใช้ในการระบุธาตุในสสารที่มีองค์ประกอบไม่ทราบแน่ชัดได้ ในทำนองเดียวกัน สเปกตรัมการแผ่รังสีของโมเลกุลก็สามารถนำมาใช้ในการวิเคราะห์ทางเคมีของสารต่างๆ ได้เช่นกัน

ในทางฟิสิกส์การแผ่รังสีคือกระบวนการที่สถานะควอนตัมเชิงกลที่มีพลังงานสูงกว่าของอนุภาคเปลี่ยนไปเป็นสถานะที่มีพลังงานต่ำกว่าโดยการปล่อยโฟตอนออกมา ส่งผลให้เกิดแสงขึ้นความถี่ของแสงที่ปล่อยออกมาเป็นฟังก์ชันของพลังงานของการเปลี่ยนสถานะ

เนื่องจากพลังงานต้องได้รับการอนุรักษ์ ความแตกต่างของพลังงานระหว่างสองสถานะจึงเท่ากับพลังงานที่โฟตอนนำพาไป สถานะพลังงานของการเปลี่ยนผ่านสามารถนำไปสู่การปล่อยรังสีในช่วงความถี่ที่กว้างมาก ตัวอย่างเช่นแสงที่มองเห็นได้ถูกปล่อยออกมาจากการจับคู่ของสถานะอิเล็กตรอนในอะตอมและโมเลกุล (ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าฟลูออ เรสเซนซ์ หรือฟอสฟอเรสเซนซ์ ) ในทางกลับกัน การเปลี่ยนผ่านของเปลือกนิวเคลียสสามารถปล่อย รังสีแกมมาพลังงานสูง ในขณะที่การเปลี่ยนผ่านของสปินนิวเคลียส ปล่อย คลื่นวิทยุพลังงานต่ำ

ค่าการแผ่รังสีของวัตถุเป็นการวัดปริมาณแสงที่วัตถุนั้นปล่อยออกมา ซึ่งอาจเกี่ยวข้องกับคุณสมบัติอื่นๆ ของวัตถุผ่านกฎของสเตฟาน-โบลต์ซมันน์สำหรับสารส่วนใหญ่ ปริมาณการแผ่รังสีจะแปรผันตามอุณหภูมิและองค์ประกอบทางสเปกโทรสโกปีของวัตถุ ทำให้เกิดอุณหภูมิสีและเส้นการแผ่รังสีการวัดอย่างแม่นยำที่ความยาวคลื่นหลายๆ ค่าช่วยให้สามารถระบุสารได้โดยใช้ สเปกโทรส โก ปีการแผ่รังสี

โดยทั่วไปแล้ว การแผ่รังสีจะถูกอธิบายโดยใช้กลศาสตร์ควอนตัมแบบกึ่งคลาสสิก: ระดับพลังงานและระยะห่างของอนุภาคถูกกำหนดจากกลศาสตร์ควอนตัมและแสงถูกมองว่าเป็นสนามไฟฟ้าที่สั่นซึ่งสามารถขับเคลื่อนการเปลี่ยนแปลงได้หากอยู่ในสภาวะเรโซแนนซ์กับความถี่ธรรมชาติของระบบ ปัญหากลศาสตร์ควอนตัมนี้ได้รับการแก้ไขโดยใช้ทฤษฎีการรบกวน แบบขึ้นอยู่กับเวลา และนำไปสู่ผลลัพธ์ทั่วไปที่รู้จักกันในชื่อกฎทองของเฟอร์มิคำอธิบายนี้ถูกแทนที่ด้วยควอนตัมอิเล็กโทรไดนามิกส์แล้ว แม้ว่าเวอร์ชันกึ่งคลาสสิกยังคงมีประโยชน์มากกว่าในการคำนวณเชิงปฏิบัติส่วนใหญ่

เมื่ออิเล็กตรอนในอะตอมถูกกระตุ้น เช่น โดยการได้รับความร้อนพลังงาน เพิ่มเติม จะผลักดันอิเล็กตรอนไปยังวงโคจรพลังงานที่สูงขึ้น เมื่ออิเล็กตรอนตกลงมาและออกจากสถานะกระตุ้น พลังงานจะถูกปล่อยออกมาอีกครั้งในรูปของโฟตอน ความยาวคลื่น (หรือเทียบเท่ากับความถี่) ของโฟตอนจะถูกกำหนดโดยความแตกต่างของพลังงานระหว่างสองสถานะ โฟตอนที่ปล่อยออกมาเหล่านี้ก่อให้เกิดสเปกตรัมของธาตุ

ข้อเท็จจริงที่ว่ามีเพียงบางสีเท่านั้นที่ปรากฏในสเปกตรัมการปล่อยแสงของอะตอมของธาตุ หมายความว่ามีเพียงความถี่ของแสงบางความถี่เท่านั้นที่ถูกปล่อยออกมา ความถี่แต่ละความถี่มีความสัมพันธ์กับพลังงานโดยสูตร: โดยที่คือพลังงานของโฟตอน คือ ความถี่ของ โฟตอน และคือค่าคงที่ของพลังค์ดังนั้นจึงสรุปได้ว่ามีเพียงโฟตอนที่มีพลังงานเฉพาะเท่านั้นที่ถูกปล่อยออกมาจากอะตอม หลักการของสเปกตรัมการปล่อยแสงของอะตอมอธิบายถึงสีต่างๆ ในป้ายนีออนรวมถึง ผล การทดสอบเปลวไฟ ทางเคมี (ซึ่งจะกล่าวถึงต่อไป) $${\displaystyle E_{\text{photon}}=h\nu ,}$$${\displaystyle E_{\text{โฟตอน}}}$${\displaystyle \nu }$${\displaystyle h}$

ความถี่ของแสงที่อะตอมสามารถปล่อยออกมานั้นขึ้นอยู่กับสถานะของอิเล็กตรอน เมื่อถูกกระตุ้น อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ไปยังระดับพลังงานหรือวงโคจรที่สูงขึ้น เมื่ออิเล็กตรอนกลับลงมาสู่ระดับพื้นฐาน แสงก็จะถูกปล่อยออกมา

ภาพด้านบนแสดงสเปกตรัมการเปล่งแสงที่มองเห็นได้ของไฮโดรเจนหากมีอะตอมไฮโดรเจนเพียงอะตอมเดียว จะสังเกตเห็นเพียงความยาวคลื่นเดียว ณ เวลาใดเวลาหนึ่ง แต่เนื่องจากตัวอย่างประกอบด้วยอะตอมไฮโดรเจนหลายอะตอมที่มีสถานะพลังงานเริ่มต้นต่างกันและไปถึงสถานะพลังงานสุดท้ายที่แตกต่างกัน จึงสังเกตเห็นการเปล่งแสงได้หลายความยาวคลื่น การรวมกันที่แตกต่างกันเหล่านี้ทำให้เกิดการเปล่งแสงพร้อมกันที่ความยาวคลื่นต่างๆ กัน

นอกเหนือจากการเปลี่ยนสถานะทางอิเล็กตรอนที่กล่าวถึงข้างต้นแล้ว พลังงานของโมเลกุลยังสามารถเปลี่ยนแปลงได้ผ่าน การเปลี่ยนสถานะ แบบหมุนแบบสั่นและแบบไวโบรนิก (การรวมกันของการสั่นและอิเล็กตรอน) การเปลี่ยนสถานะพลังงานเหล่านี้มักนำไปสู่กลุ่มของ เส้นสเปกตรัมที่แตกต่างกันจำนวนมากที่อยู่ใกล้กันซึ่งเรียกว่าแถบสเปกตรัมแถบสเปกตรัมที่ไม่สามารถแยกแยะได้อาจปรากฏเป็นสเปกตรัมต่อเนื่อง

แสงประกอบด้วยรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่นต่างกัน ดังนั้น เมื่อธาตุหรือสารประกอบของธาตุเหล่านั้นถูกให้ความร้อน ไม่ว่าจะด้วยเปลวไฟหรืออาร์คไฟฟ้า พวกมันจะปล่อยพลังงานออกมาในรูปของแสง การวิเคราะห์แสงนี้ด้วยความช่วยเหลือของสเปกโทรสโคปจะทำให้เราได้สเปกตรัมที่ไม่ต่อเนื่อง สเปกโทรสโคปหรือสเปกโทรเมตรเป็นเครื่องมือที่ใช้สำหรับแยกส่วนประกอบของแสงที่มีความยาวคลื่นต่างกัน สเปกตรัมจะปรากฏเป็นชุดของเส้นที่เรียกว่าสเปกตรัมเส้น สเปกตรัมเส้นนี้เรียกว่าสเปกตรัมอะตอมเมื่อมันมาจากอะตอมในรูปของธาตุ ธาตุแต่ละชนิดมีสเปกตรัมอะตอมที่แตกต่างกัน การสร้างสเปกตรัมเส้นโดยอะตอมของธาตุบ่งชี้ว่าอะตอมสามารถแผ่พลังงานได้เพียงปริมาณหนึ่งเท่านั้น ซึ่งนำไปสู่ข้อสรุปว่าอิเล็กตรอนที่ถูกผูกไว้ไม่สามารถมีพลังงานได้ทุกปริมาณ แต่มีเฉพาะปริมาณพลังงานที่แน่นอนเท่านั้น

สเปกตรัมการปล่อยแสงสามารถใช้ในการกำหนดองค์ประกอบของวัสดุได้ เนื่องจากสเปกตรัมจะแตกต่างกันสำหรับแต่ละธาตุในตารางธาตุตัวอย่างหนึ่งคือสเปกโทรสโกปีทางดาราศาสตร์ : การระบุองค์ประกอบของดาวฤกษ์โดยการวิเคราะห์แสงที่ได้รับ ลักษณะสเปกตรัมการปล่อยแสงของบางธาตุสามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่าอย่างชัดเจนเมื่อธาตุเหล่านั้นถูกทำให้ร้อน ตัวอย่างเช่น เมื่อจุ่มลวดแพลทินัมลงในสารละลายโซเดียมไนเตรตแล้วนำไปใส่ในเปลวไฟ อะตอมของโซเดียมจะปล่อยแสงสีเหลืองอำพันออกมา ในทำนองเดียวกัน เมื่อใส่อินเดียมลงในเปลวไฟ เปลวไฟจะเปลี่ยนเป็นสีน้ำเงิน ลักษณะเฉพาะเหล่านี้ทำให้สามารถระบุธาตุได้จากสเปกตรัมการปล่อยแสงของอะตอม ไม่ใช่แสงที่ปล่อยออกมาทั้งหมดจะสามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า เนื่องจากสเปกตรัมยังรวมถึงรังสีอัลตราไวโอเลตและรังสีอินฟราเรดด้วย สเปกตรัมการปล่อยแสงเกิดขึ้นเมื่อมองก๊าซที่ถูกกระตุ้นโดยตรงผ่านสเปกโทรสโคป

สเปกโทรสโกปีการปล่อยแสงเป็น เทคนิค ทางสเปกโทรสโกปีที่ใช้ตรวจสอบความยาวคลื่นของโฟตอนที่ปล่อยออกมาจากอะตอมหรือโมเลกุลในระหว่างการเปลี่ยนสถานะจากสถานะกระตุ้นไปสู่สถานะพลังงานที่ต่ำกว่า ธาตุแต่ละชนิดจะปล่อยชุดความยาวคลื่นเฉพาะตัวตามโครงสร้างอิเล็กตรอนและโดยการสังเกตความยาวคลื่นเหล่านี้ สามารถกำหนดองค์ประกอบทางเคมีของตัวอย่างได้ สเปกโทรสโกปีการปล่อยแสงได้รับการพัฒนาขึ้นในช่วงปลายศตวรรษที่ 19 และความพยายามในการอธิบายเชิงทฤษฎีของสเปกตรัมการปล่อยแสงของอะตอมในที่สุดก็นำไปสู่กลศาสตร์ควอนตัม

มีหลายวิธีในการนำอะตอมไปสู่สถานะกระตุ้น การปฏิสัมพันธ์กับรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าใช้ในสเปกโทรสโกปีฟลูออเรสเซนซ์โปรตอนหรืออนุภาคหนักอื่นๆ ใช้ในการปล่อยรังสีเอกซ์ที่เกิดจากอนุภาคและอิเล็กตรอนหรือโฟตอนรังสีเอกซ์ใช้ในสเปกโทรสโกปีรังสีเอกซ์แบบกระจายพลังงานหรือฟลูออเรสเซน ซ์รังสีเอกซ์ วิธีที่ง่ายที่สุดคือการให้ความร้อนแก่ตัวอย่างจนถึงอุณหภูมิสูง หลังจากนั้นการกระตุ้นจะเกิดขึ้นจากการชนกันระหว่างอะตอมของตัวอย่าง วิธีนี้ใช้ในสเปกโทรสโกปีการปล่อยเปลวไฟ และยังเป็นวิธีที่ Anders Jonas Ångströmใช้เมื่อเขาค้นพบปรากฏการณ์ของเส้นการปล่อยแบบไม่ต่อเนื่องในช่วงปี 1850 ^{[ 1 ]}

แม้ว่าเส้นสเปกตรัมการปล่อยแสงจะเกิดจากการเปลี่ยนผ่านระหว่างสถานะพลังงานควอนตัม และอาจดูคมชัดมากในตอนแรก แต่ก็มีความกว้างที่จำกัด กล่าวคือ ประกอบด้วยความยาวคลื่นแสงมากกว่าหนึ่งความยาวคลื่น การที่เส้นสเปกตรัมกว้างขึ้น นี้ มีสาเหตุหลายประการ

สเปกโทรสโกปีการปล่อยแสง มักถูกเรียกว่า สเปกโทรสโกปีการปล่อยแสงเชิงแสง เนื่องจากสิ่งที่ถูกปล่อยออกมามีลักษณะเป็นแสง

ในปี ค.ศ. 1756 โทมัส เมลวิลล์ สังเกตเห็นการปล่อยรูปแบบสีที่แตกต่างกันเมื่อเติมเกลือ ลงใน เปลวไฟแอลกอฮอล์^{[ 2 ]} ในปี ค.ศ. 1785 เจมส์ เกรกอรีค้นพบหลักการของตะแกรงเลี้ยวเบน และนักดาราศาสตร์ชาวอเมริกันเดวิด ริทเทนเฮาส์ ได้สร้าง ตะแกรงเลี้ยวเบน ที่ออกแบบขึ้น เป็นครั้งแรก^{[ 3 ] [ 4 ]}ในปี ค.ศ. 1821 โจเซฟ ฟอน ฟราวน์โฮเฟอร์ ได้ทำให้การทดลองที่สำคัญนี้เป็นรูปธรรม โดยการแทนที่ปริซึมเป็นแหล่งกำเนิดการกระจาย ความยาวคลื่น ซึ่งช่วยปรับปรุงความละเอียดของสเปกตรัมและทำให้สามารถวัดปริมาณความยาวคลื่นที่กระจายได้

ในปี ค.ศ. 1835 ชาร์ลส์ วีทสโตนรายงานว่าโลหะต่างชนิดกันสามารถแยกแยะได้ด้วยเส้นสว่างในสเปกตรัมการปล่อยแสงของประกายไฟซึ่งเป็นการนำเสนอทางเลือกอื่นนอกเหนือจากสเปกโทรสโกปีของเปลวไฟ^{[ 5 ] [ 6 ]} ในปี ค.ศ. 1849 เจ.บี. ฟูโกต์ ได้สาธิตในเชิงทดลองว่า เส้น การดูดกลืนและการปล่อยแสงที่ความยาวคลื่นเดียวกันนั้นเกิดจากวัสดุชนิดเดียวกัน โดยความแตกต่างระหว่างทั้งสองเกิดจากอุณหภูมิของแหล่งกำเนิดแสง^{[ 7 ] [ 8 ]} ในปี ค.ศ. 1853 นักฟิสิกส์ชาวสวีเดนแอนเดอร์ส โจนาส อังสตรอมได้นำเสนอข้อสังเกตและทฤษฎีเกี่ยวกับสเปกตรัมของก๊าซ^{[ 9 ]}อังสตรอมตั้งสมมติฐานว่าก๊าซที่เรืองแสงจะปล่อยรังสีเรืองแสงที่มีความยาวคลื่นเดียวกันกับที่มันสามารถดูดซับได้ ในขณะเดียวกันจอร์จ สโตกส์และวิลเลียม ทอมสัน (เคลวิน)ก็กำลังอภิปรายสมมติฐานที่คล้ายกัน^{[ 7 ]}อังสตรอมยังวัดสเปกตรัมการปล่อยแสงจากไฮโดรเจนซึ่งต่อมาถูกเรียกว่าเส้นบัลเมอร์ [ ^{10 ] [ 11 ] ใน} ปี พ.ศ. 2497 และ พ.ศ. 2498 เดวิด อัลเตอร์ ได้ตีพิมพ์ผลการสังเกตสเปกตรัมของโลหะและก๊าซ รวมถึงการสังเกต เส้นบัลเมอร์ของไฮโดรเจนโดยอิสระ^{[ 12 ] [ 13 ]}

ในปี พ.ศ. 2392 Gustav KirchhoffและRobert Bunsenสังเกตเห็นว่าเส้น Fraunhofer หลายเส้น (เส้นในสเปกตรัมของดวงอาทิตย์) ตรงกับเส้นการปล่อยลักษณะเฉพาะที่ระบุในสเปกตรัมของธาตุที่ได้รับความร้อน^{[ 14 ] [ 15 ]}สรุปได้อย่างถูกต้องว่าเส้นมืดในสเปกตรัมของดวงอาทิตย์เกิดจากการดูดซับโดยธาตุเคมีในชั้นบรรยากาศของดวงอาทิตย์^{[ 16 ]}

สารละลายที่มีสารที่ต้องการวิเคราะห์จะถูกดูดเข้าไปในหัวเผาและกระจายออกเป็นละอองละเอียดในเปลวไฟ ตัวทำละลายจะระเหยไปก่อน เหลือไว้เพียงอนุภาคของแข็งขนาดเล็กที่เคลื่อนไปยังบริเวณที่ร้อนที่สุดของเปลวไฟ ซึ่ง เป็นบริเวณที่เกิด อะตอมและไอออน ในสถานะก๊าซ จากการแตกตัวของโมเลกุล ในบริเวณนี้อิเล็กตรอนจะถูกกระตุ้นดังที่ได้อธิบายไว้ข้างต้น และจะปล่อยโฟตอนออกมาเองโดยธรรมชาติเพื่อสลายตัวไปสู่สถานะพลังงานที่ต่ำกว่า โดยทั่วไป จะใช้ โมโนโครมาเตอร์เพื่อให้ตรวจจับได้ง่าย

ในระดับพื้นฐาน สเปกโทรสโกปีการปล่อยเปลวไฟสามารถสังเกตได้โดยใช้เพียงเปลวไฟและตัวอย่างเกลือโลหะ วิธีการวิเคราะห์เชิงคุณภาพนี้เรียกว่าการทดสอบเปลวไฟตัวอย่างเช่น เกลือ โซเดียมที่วางไว้ในเปลวไฟจะเรืองแสงสีเหลืองจากไอออนโซเดียม ในขณะที่ ไอออน สตรอนเทียม (ที่ใช้ในพลุสัญญาณจราจร) จะทำให้เป็นสีแดง ลวด ทองแดงจะสร้างเปลวไฟสีเขียว อย่างไรก็ตามเมื่อมีคลอไรด์ อยู่ จะให้สีน้ำเงิน (การมีส่วนร่วมของโมเลกุลโดย CuCl) ^{[ 17 ] [ 18 ]}

สัมประสิทธิ์การปล่อยเป็นสัมประสิทธิ์ในกำลังเอาต์พุตต่อหน่วยเวลาของ แหล่งกำเนิด แม่เหล็กไฟฟ้าซึ่งเป็นค่าที่คำนวณได้ในทางฟิสิกส์สัมประสิทธิ์การปล่อยของก๊าซจะแปรผันตามความยาวคลื่นของแสง มีหน่วยเป็นm⋅s ⁻³ ⋅sr ^{−1 [ 19 ]}

ในการกระเจิงแบบทอมสันอนุภาคที่มีประจุจะปล่อยรังสีออกมาเมื่อได้รับแสงตกกระทบ อนุภาคนั้นอาจเป็นอิเล็กตรอนอะตอมธรรมดา ดังนั้นค่าสัมประสิทธิ์การปล่อยรังสีจึงมีประโยชน์ในทางปฏิบัติ

ถ้าX dV d Ω dλคือพลังงานที่กระเจิงโดยองค์ประกอบปริมาตรdV ไปยังมุมตันd Ωระหว่างความยาวคลื่นλและλ + dλต่อหน่วยเวลาแล้วสัมประสิทธิ์ การปล่อย คือX

ค่าของXในการกระเจิงแบบทอมสันสามารถทำนายได้จากฟลักซ์ตกกระทบ ความหนาแน่นของอนุภาคที่มีประจุ และภาคตัดขวางเชิงอนุพันธ์ของทอมสัน (พื้นที่/มุมตัน)

วัตถุอุ่นที่ปล่อยโฟตอนจะมี ค่าสัมประสิทธิ์การปล่อย แบบเอกรงค์ซึ่งสัมพันธ์กับอุณหภูมิและพลังงานการแผ่รังสีทั้งหมด บางครั้งเรียกค่านี้ว่าค่าสัมประสิทธิ์ไอน์สไตน์ ที่สอง และสามารถอนุมานได้จากทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัม

• สเปกโทรสโกปีการดูดกลืน
• สเปกตรัมการดูดกลืน
• เส้นสเปกตรัมอะตอม
• สเปกโทรสโกปีแม่เหล็กไฟฟ้า
• สเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า
• หลอดปล่อยประจุแก๊สตารางสเปกตรัมการปล่อยแสงของหลอดปล่อยประจุแก๊ส
• การเลื่อนไอโซเมอร์
• การเปลี่ยนแปลงไอโซโทป
• สัมประสิทธิ์การส่องสว่าง
• ฟิสิกส์พลาสมา
• สูตร Rydberg
• ทฤษฎีสเปกตรัม
• สม การ ไดโอดประกอบด้วยสัมประสิทธิ์การปล่อย (ซึ่งไม่เกี่ยวข้องกับที่กล่าวถึงในที่นี้)
• การปล่อยเทอร์มิออนิก

• สเปกตรัมการปล่อยของก๊าซในชั้นบรรยากาศ
• ฐานข้อมูลอ้างอิงทางกายภาพของ NIST—ฐานข้อมูลสเปกโทรสโกปีอะตอม
• การจำลองสีของสเปกตรัมการปล่อยแสงของธาตุโดยอิงจากข้อมูลของ NIST
• สเปกตรัมการปล่อยไฮโดรเจน