Espectres atòmics
Els espectres atòmics són una prova directa que les energies dels àtoms estan quantificades. Els àtoms excitats emeten llum només a determinades longituds d’ona i també poden absorbir aquestes mateixes longituds d’ona característiques. El patró resultant identifica l’element i informa sobre la seva estructura electrònica.
Línies espectrals en lloc d’un arc de Sant Martí continu
Un gas atòmic excitat no produeix, en general, tots els colors possibles. El seu espectre d’emissió conté línies estretes en posicions concretes. En absorció apareixen línies fosques a les mateixes energies perquè els fotons promouen l’àtom entre els mateixos nivells permesos.
La posició d’una línia correspon a una diferència d’energia: ΔE = hν = hc/λ. Per tant, una longitud d’ona no és una etiqueta arbitrària de color, sinó una mesura d’una separació entre estats quàntics.
L’hidrogen i la relació de Rydberg
Per a l’hidrogen, les longituds d’ona de moltes transicions es descriuen amb 1/λ = RH(1/nbaix² − 1/nalt²), amb nalt > nbaix. Les sèries s’agrupen pel nivell final: Lyman acaba a n=1, Balmer a n=2 i Paschen a n=3.
La línia Hα de Balmer, aproximadament a 656 nm, és la transició 3→2; Hβ, prop de 486 nm, és 4→2. Quan nalt creix, els nivells de l’hidrogen s’acosten i les línies convergeixen.
Espectres d’àtoms amb molts electrons
Els àtoms amb molts electrons tenen moltes més transicions. Les energies de subcapa, la repulsió entre electrons, l’acoblament espín–òrbita i les regles de selecció creen una estructura de nivells molt més rica que la de l’hidrogen.
La intensitat d’una línia depèn de la població de l’estat inicial i de la probabilitat de transició, no només de l’existència de dos nivells. Per això dues línies permeses del mateix element poden tenir intensitats molt diferents.
De la longitud d’ona a la identificació química
La espectroscòpia atòmica permet identificar elements en flames, plasmes, descàrregues i atmosferes estel·lars. Cal calibrar l’escala de longitud d’ona amb referències conegudes i disposar de prou resolució per separar línies pròximes.
Una línia espectral no és un ‘electró de color’. És un fotó emès o absorbit quan l’estat quàntic de l’àtom canvia.
Calculadora de transicions de l’hidrogen
Eixamplament i mesures reals
Les línies reals tenen una amplada finita. El moviment tèrmic produeix eixamplament Doppler, les col·lisions provoquen eixamplament per pressió i la vida finita de l’estat excitat produeix eixamplament natural. L’instrument hi afegeix la seva pròpia funció de resolució.
Aquestes amplades no són només defectes experimentals: poden contenir informació sobre temperatura, pressió, velocitat i entorn local.
Els límits de sèrie revelen energies d’ionització
Dins d’una sèrie d’hidrogen, les línies són cada vegada més pròximes quan augmenta nalt. Al límit de la sèrie, l’estat superior arriba al continu: l’àtom queda ionitzat.
Per a transicions que parteixen de l’estat fonamental, el límit de Lyman correspon a 13,6 eV. La convergència mostra que els nivells lligats s’acumulen cap a un llindar finit d’ionització.
Llegir un espectre com a dades
| Característica | Informació física |
|---|---|
| Posició de la línia | Diferència d’energia entre estats quàntics. |
| Intensitat relativa | Població dels estats inicials i probabilitat de transició. |
| Amplada de línia | Moviment tèrmic, pressió/col·lisions, vida de l’estat i resolució instrumental. |
| Desplaçament sistemàtic | Moviment relatiu per efecte Doppler. |
| Desdoblament fi | Interacció espín–òrbita o camps elèctrics/magnètics externs. |
Espectròmetres, calibratge i poder de resolució
Un espectròmetre separa les longituds d’ona mitjançant una xarxa de difracció, un prisma o un mètode interferomètric i registra la intensitat en funció de λ o ν. El calibratge converteix la posició del detector en una escala física de longitud d’ona.
El poder de resolució determina si dues característiques pròximes apareixen com dues línies o com una sola. Una resolució millor pot revelar estructura fina, desplaçaments isotòpics o components eixamplats que abans quedaven superposats.
Espectres atòmics i espectres moleculars
Els àtoms presenten transicions electròniques però no tenen rotacions ni vibracions moleculars. Les molècules afegeixen graus de llibertat rotacionals i vibracionals, de manera que una transició electrònica pot anar acompanyada de moltes transicions internes i formar bandes.
En una flama o una descàrrega poden coexistir línies atòmiques estretes i bandes moleculars més complexes. Reconèixer aquesta diferència evita assignacions incorrectes.
Proves de flama i identificació al laboratori
Escalfar una sal en una flama pot excitar àtoms o ions que emeten llum característica. L’emissió groga del sodi és tan intensa que traces de contaminació poden dominar el color observat.
Un espectròmetre és més fiable que l’ull perquè separa longituds d’ona i pot distingir emissors que se superposen.
Exercicis
Identificar Balmer
Una línia visible de l’espectre d’hidrogen pertany a la sèrie de Balmer. Quin és el nivell final?
Solució
n = 2. La sèrie de Balmer agrupa les transicions que acaben al segon nivell.
Emissió i absorció
Quina diferència física hi ha entre una línia d’emissió i la línia d’absorció corresponent?
Solució
Impliquen la mateixa diferència d’energia. En emissió l’àtom baixa de nivell i emet un fotó; en absorció puja de nivell captant un fotó de la mateixa energia.
Amplada d’una línia
Una línia és molt més ampla del previst. Quins mecanismes físics podrien explicar-ho?
Solució
Entre les causes possibles hi ha un moviment tèrmic més gran (Doppler), més col·lisions o pressió, una vida curta de l’estat i una resolució instrumental insuficient.