Szilárd testek hőmérsékleti sugárzásának színképe
A fémek magas hőmérsékleten "izzásba jönnek", vagyis már nemcsak a rájuk eső fényt verik vissza, hanem saját maguk is elkezdenek fényt kibocsátani. Például egy tűzből kihúzott kard vöröses-sárgás, vagy még magasabb hőmérsékleten már fehéres fényt sugároz:
A jelenséget hőmérsékleti sugárzásnak hívjuk (idegen szóval termikus emisszió). Minden test minden hőmársékleten kibocsát elektromágneses sugárzásokat, csak míg egy szobahőmérsékletű test hőmérsékleti sugárzása teljesen a láthatalan infravörös tartományba esik, addig \(600\ \mathrm{{}^\circ C}\) hőmérséklet felett már a sugárzás tartalmaz látható fény tartományú hullámhosszokat is. A hőmérsékleti sugárzásról itt találhatók további részletek.
Ha a forró fém által kibocsátott (elektromágneses) sugárzást spektroszkópba vezetve tanulmányozzuk, akkor azt tapasztaljuk, hogy a látható spektrum minden színét (minden frekvenciáját, hullámhosszát) tartalmazza:
Az ilyen színképet folytonosnak hívjuk. Minden szilárd test ilyen színképet bocsát ki. Mivel itt a test bocsátja ki a fényt, ezt emissziós (kibocsátási) színképnek nevezzük.
Gázok emissziós színképe
A német Heinrich Geissler 1855-ben újfajta (higanyos) vákuumszivattyút talált ki, amivel egy gáz nyomását már a légnyomásnál 10 000‑szer kisebbre lehetett csökkenteni. Ennek segítségével már annyira ritkított gázokat lehetett létrehozni (átlátszó üvegtartályban), melyen elektromos áramot átvezetve az elektronok két ütközésük között már elég hosszú utat tehettek meg, amitől elég nagy sebességre, energiára gyorsulhattak fel ahhoz, hogy egy gázmolekulának ütközve már jó nagy energiát adhassanak át. Azt tapasztalták, hogy ilyenkor a gázok elkezdtek világítani (a fajtájuk szerint különböző színű fénnyel):
Az efféle, ritkított gázon átvezetett áram hatására létrejövő fénykibocsátást gázkisülésnek (gas discharge) nevezték el. A fényt spektroszkópba vezették, és azt tapasztalták, hogy a kisülési csőben lévő gázok - furcsa módon - nem mindenféle hullámhosszot sugároznak, hanem csak bizonyos hullámhosszokat:
Az ilyen színképet ún. vonalas színképnek hívjuk, méghozzá. Azt mondjuk, hogy a gázok emissziós színképe csak bizonyos, diszkrét frekvenciájú sugárzásokat tartalmaz.
Ez érthetetlen volt, hiszen ha az észlelt fényt a gázmolekulák bocsájtják ki, és a repkedő gázmolekulák energiája akármennyi lehet, akkor fénykibocsátás során (ami két akármilyen energiájú állapot közötti átmenet) akármekkora energiát tudnak fény formájában leadni. Ez esetben miért nem sugároznak akármilyen frekvencián? Miért csak bizonyos frekvcenciákon?
A gázok emissziós színképe egyfajta ujjlenyomatként funkcionál: ha a gázkeverék kibocsátja mondjuk a tiszta neon egyik vonalát, akkor a keverékben van neon. 1868-ban így fedezték fel egy addig ismeretlen kémiai elemet: a Nap kromoszférájának színképében találtak egy olyan spektrumvonalat (\(587,49\ \mathrm{nm}\)), mely egyetlen ismert gáz színképében sem szerepelt; emiatt a görög ἥλιος "héliosz" szó (ami Napot jelent) alapján lett az új kémiai elem neve hélium.
Gázok abszorpciós színképe
Azt is kipróbálták, hogy folytonos spektumú fénnyel sugároztak be üvegtartályban lévő gázokat, és a gázon áthaladt (abból kilépő) fénynyalábot tanulmányozták spektroszkópban. Azt tapasztalták, hogy a folytonos színképből pont azok a színképvonalak hiányoznak, amiket a gáz az emissziója során kibocsát. (Bár az elnyelés után a gáz ki is bocsájtja ezeket a hullámhosszokat, de a kibocsátás már véletlenszerű irányba történik, így az kilépő nyaláb irányába csak egy nagyon kis hányada halad; a végeredmény nagyjából olyan, mintha ezeket "szétszórta" volna.) A színkép hiányzó vonalait úgy értelmeztek, hogy a gáz pont azokat a frekvenciákat nyeli el (abszorbeálja), amelyeket kibocsátani (emittálni) képes:
Tehát a gázoknak nemcsak az emissziós, hanem az abszorpciós színképe is vonalas. Ilyen például a Nap színképe is, hiszen a Nap fotoszféráját (ami kibocsájtja a folytonos spektrumú napfényt) még körülveszi a kromoszféra, ami ebből elnyel bizonyos vonalakat, amiből a Föld légköre továbbiakat nyel el:
Tehát újabb rejtély: a gázok miért nem képesek elnyelni mindenféle frekvenciájú fényt?
A klasszikus fizika a gázok vonalas színképeit nem tudta értelmezni. Próbálkozni persze lehetett valahogy, erről szól a következő tudáscsepp.