Атомни спектри

Дискретните линии в атомните емисионни и абсорбционни спектри възникват, защото атомите обменят фотони само между квантувани електронни състояния. Положението и формата на линиите позволяват идентификация на елементи и диагностика на средата.

Защо спектрите съдържат отделни линии

Свързаните електронни състояния в атома имат квантувани енергии. Фотон се поглъща или излъчва само когато енергията му hν съвпада с разликата между две разрешени състояния. Затова разреден атомен газ дава линеен, а не непрекъснат спектър.

n=1n=2n=3n=4hν
Преходът между две квантувани нива определя енергията на фотона.

Емисия и поглъщане

При емисия възбуденият атом преминава към състояние с по-ниска енергия и излъчва фотон. При поглъщане падащ фотон може да повиши енергията на атома само ако съвпада с разрешен преход. Положенията на емисионните и абсорбционните линии на един и същ атом произлизат от едни и същи енергийни разлики.

λ₁λ₂λ₃λ₄λ₅
Положението на линиите е отпечатък на енергийната структура на атома.

Водородът и формулата на Ридберг

За водорода 1/λ = R_H(1/n₁² − 1/n₂²), където n₂ > n₁. Серията на Лайман завършва при n₁=1, Балмер – при n₁=2, Пашен – при n₁=3. Преходът Hα 3→2 е около 656 nm, а Hβ 4→2 – около 486 nm.

От дължината на вълната до идентификацията

При многоелектронни атоми електрон–електронното отблъскване и вътрешните взаимодействия разделят нивата в по-богата структура. Не всяка енергийна разлика дава силна линия: важни са вероятността на прехода и населеността на началното състояние.

Разширяване на линиите при реални измервания

Топлинното движение причинява Доплерово разширяване, сблъсъците – налягано разширяване, а крайното време на живот – естествено разширяване. Инструментът също има крайна разделителна способност; ширината на линията може да носи информация за температура и плътност.

Границата на серията показва йонизация

Когато n₂ нараства, линиите в една водородна серия се сближават. На границата горното състояние достига континуума и атомът е йонизиран. Границата на серията Лайман от основното състояние съответства на 13,6 eV.

Калкулатор за водороден преход

Изберете n₁ и n₂. Изчислението използва модела на Ридберг за водород; то не е универсална формула за многоелектронни атоми.

Променете нивата, за да изчислите дължината на вълната на водороден преход.

Как спектърът се чете като данни

Спектърът е повече от „баркод“ за елемент. Положението, интензитетът, ширината, общото изместване и фината структура на линиите дават различна физична информация.

Спектрометри, калибриране и разделителна способност

Спектрометърът разделя дължините на вълните с решетка, призма или интерферометричен метод. Калибрирането с известни линии свързва положението на детектора с λ, а разделителната способност определя дали две близки линии могат да се видят отделно.

Атомни и молекулни спектри

Атомите имат електронни преходи, а молекулите добавят ротационни и вибрационни степени на свобода. Затова един електронен преход може да има множество компоненти и да образува спектрални ивици.

Пламъчни проби и лабораторна идентификация

При нагряване на сол атоми или йони могат да се възбудят и да излъчат характерна светлина. Жълтата емисия на натрия е много силна, но спектрометърът е по-надежден от окото, защото отделя припокриващи се източници.

Решени задачи

Примерите разграничават положение, интензитет и ширина на спектралната линия.

Линия на Балмер

Линия на Балмер

Решение: Водородна линия около 656 nm е преходът 3→2, тоест Hα от серията на Балмер.

Емисия или поглъщане

Емисия или поглъщане

Решение: Тъмна линия върху непрекъснат фон се получава, когато атомите поглъщат фотони с разрешена енергия; ярка линия се получава при излъчване от възбудени състояния.

Линията се разширява

Линията се разширява

Решение: При по-висока температура разпределението на скоростите се разширява и Доплеровото разширяване нараства. Това не е същото като общо изместване на целия спектър.