Atomová spektra

Atomová spektra jsou přímým důsledkem kvantování energie v atomu. Řídký excitovaný plyn vyzařuje světlo jen na vybraných vlnových délkách a chladnější plyn může stejné charakteristické energie absorbovat. Soubor čar funguje jako podpis prvku a poloha, intenzita i šířka nesou odlišné informace.

lambdaI

Čáry místo spojitého pásu

Řídký atomový plyn dává ostré čáry, protože elektronové stavy mají diskrétní energie. Foton vzniká při přechodu dolů a je absorbován při přechodu nahoru.

Pro určitý přechod platí ΔE = hν = hc/λ. Stejný energetický rozdíl se tedy může projevit jako jasná emisní nebo tmavá absorpční čára.

Vodík a Rydbergův vztah

Pro vodík platí 1/λ = R_H(1/n_low² − 1/n_high²). Přechody končící na n = 2 tvoří Balmerovu sérii; 3 → 2 dává Hα asi 656 nm a 4 → 2 Hβ asi 486 nm.

Série se sbíhají k ionizační hranici, protože hladiny s vysokým n jsou stále blíže. Limit Lymanovy série odpovídá ionizační energii základního stavu, asi 13,6 eV.

Kalkulátor přechodu vodíku

Víceelektronová spektra

Ve víceelektronových atomech přistupují rozdíly podslupek, odpuzování elektronů, spin-orbitální vazba a výběrová pravidla. Výsledkem je bohatý, ale charakteristický soubor čar.

Samotná existence dvou hladin nezaručuje silnou čáru. Intenzita závisí na obsazení počátečního stavu a pravděpodobnosti přechodu, proto kvantitativní práce vyžaduje kalibraci.

Šířka a posun čar

Skutečné čáry nejsou nekonečně úzké. Tepelný pohyb způsobuje Dopplerovo rozšíření, srážky tlakové rozšíření a konečný život excitovaného stavu přirozenou šířku. Přístroj přidává vlastní rozlišení.

Systematický posun vlnové délky může ukázat pohyb zdroje. Jemná, Zeemanova a Starkova štěpení zase poskytují informace o momentu hybnosti a vnějších polích.

Od plamene ke spektrometru

Plamenová zkouška ukazuje princip kvalitativně: excitovaný sodík dává silné žluté čáry. Spektrometr však vlnové délky oddělí a porovná se standardem, takže není odkázán na lidské vnímání barvy.

V astronomii stejná fyzika odhaluje složení bez odběru vzorku. Spektrum může současně nést údaje o teplotě, hustotě a rychlosti zdroje.

Jak číst spektrum bez přehnané interpretace

Poloha čáry vypovídá především o rozdílu energií stavů. Intenzita navíc závisí na počtu atomů v příslušném stavu, pravděpodobnosti přechodu a odezvě detektoru, zatímco šířku ovlivňuje dynamika zdroje i přístroj.

Jeden vysoký pík tedy automaticky neznamená větší energii hladiny. Správná analýza odděluje polohu, intenzitu a šířku a teprve potom kontroluje soulad celého vzoru čar.

Řešené příklady

1. Přechod 4 → 2

Řešení

Končí na n = 2, patří tedy do Balmerovy série a má asi 486 nm.

2. Emise a absorpce

Řešení

Stejný rozdíl ΔE může dát jasnou emisní nebo tmavou absorpční čáru.

3. Rozšíření

Řešení

Příkladem je Dopplerovo rozšíření způsobené tepelným pohybem atomů.