Una riga spettrale è una riga scura o luminosa in uno spettro elettromagnetico altrimenti uniforme e continuo. Le righe spettrali sono il risultato dell'interazione tra un sistema quantistico (solitamente atomi , ma talvolta anche molecole o nuclei atomici) e la radiazione elettromagnetica .
La riga spettrale è un fenomeno rimasto insospettato fino ai primi studi effettuati con i prismi sulla decomposizione della luce. La prima osservazione di una riga spettrale è quella della riga di emissione del sodio , effettuata da Thomas Melvill nel 1752. Usando un prisma, osserva la luce dei sali riscaldati da una fiamma e scopre una riga intensa. , gialla.
La scoperta delle righe di assorbimento risalenti al XIX ° secolo , nel 1802 , quando William Hyde Wollaston nella sua ricerca sui prismi, strisce nere osservato nel spettro di luce di solito in continuazione decomposto. Queste linee hanno la particolarità di non cambiare posizione qualunque sia il prisma e il suo materiale. Joseph von Fraunhofer usa questa osservazione per sviluppare un modo per misurare le lunghezze d'onda prendendo queste linee come riferimento. Gustav Robert Kirchhoff sviluppa così un sistema di riferimenti, utilizzando le righe più visibili dello spettro solare e numerandole. Queste linee di riferimento vengono quindi utilizzate per calibrare gli strumenti di misurazione e spettroscopia.
Mentre Fraunhofer misura la lunghezza d'onda di alcune righe spettrali, è Anders Jonas Ångström che determina le lunghezze d'onda di quasi un migliaio di righe di assorbimento usando reticoli di diffrazione nel 1869, sostituendo il sistema di righe di Fraunhofer e la numerazione di Kirchhoff fino al 1890.
Inizialmente chiamato analisi spettrale, lo studio delle righe e delle lunghezze d'onda di uno spettro divenne gradualmente "spettroscopia" nel 1880.
In un sistema quantistico, l'energia non può assumere valori arbitrari: sono possibili solo determinati livelli energetici molto precisi. Diciamo che l'energia del sistema è quantizzata. I cambi di stato corrispondono quindi anche a valori energetici ben precisi che segnano la differenza di energia tra il livello finale e il livello originario.
Se l'energia del sistema diminuisce di una quantità E , verrà emesso un quanto di radiazione elettromagnetica, detto fotone , alla frequenza ν data dalla relazione di Planck-Einstein : Δ E = hν dove h è la costante di Planck . Viceversa, se il sistema assorbe un fotone di frequenza ν , aumenta la sua energia, da una quantità hn . Come l'energia del sistema è quantizzata, così è la frequenza dei fotoni emessi o assorbiti dal sistema. Questo spiega perché lo spettro di un sistema quantistico è costituito da un insieme di linee discrete piuttosto che da uno spettro continuo in cui tutte le frequenze sono presenti in quantità variabili.
Un gas caldo si raffredda emettendo fotoni; lo spettro osservato è quindi costituito da un insieme di righe chiare su sfondo scuro. Si parla quindi di righe di emissione (esempio opposto). Viceversa, se il gas è freddo ma illuminato da una sorgente continua, il gas assorbe i fotoni e lo spettro è costituito da un insieme di righe scure su fondo luminoso: si parla allora di righe di assorbimento .
Le righe di assorbimento ed emissione sono altamente specifiche per ogni sostanza e possono essere utilizzate per identificare facilmente la composizione chimica di qualsiasi mezzo in grado di far passare la luce (solitamente gas). Dipendono anche dalle condizioni fisiche del gas, quindi sono ampiamente utilizzati per determinare la composizione chimica di stelle e altri corpi celesti che non possono essere analizzati con altri mezzi, così come i loro stati fisici.
Meccanismi diversi dall'interazione atomo-fotone possono produrre righe spettrali. A seconda dell'esatta interazione fisica (con molecole, singole particelle, ecc.) la frequenza dei fotoni coinvolti cambia notevolmente e si possono osservare righe in tutto lo spettro elettromagnetico: dalle onde radio ai raggi gamma .
In pratica le linee non hanno una frequenza perfettamente determinata ma sono distribuite su una banda di frequenze. Ci sono molte ragioni per questa espansione:
Le lampade a scarica producono linee di emissione del gas utilizzato.