Atomspektre
Atomspektre er direkte evidens for, at atomare energier er kvantiserede. Exciterede atomer udsender lys ved udvalgte bølgelængder og kan også absorbere de samme karakteristiske bølgelængder. Mønstret identificerer grundstoffet og undersøger dets elektroniske struktur.
Spektrallinjer i stedet for en kontinuerlig regnbue
En exciteret atomar gas udsender normalt ikke alle mulige farver. Emissionsspektret består af smalle linjer ved bestemte positioner. I et absorptionsspektrum ses mørke linjer ved de samme energier, fordi fotoner løfter atomet mellem de samme tilladte niveauer.
En linjes position svarer til en energiforskel: ΔE = hν = hc/λ. Bølgelængden er derfor ikke blot en farveetiket, men et mål for afstanden mellem to kvantetilstande.
Hydrogen og Rydberg-relationen
For hydrogen beskrives mange overgangsbølgelængder af 1/λ = RH(1/nlav² − 1/nhøj²), hvor nhøj > nlav. Serierne grupperes efter slutniveau: Lyman ender ved n=1, Balmer ved n=2 og Paschen ved n=3.
Balmerlinjen Hα ved cirka 656 nm er overgangen 3→2; Hβ nær 486 nm er 4→2. Når nhøj vokser, ligger hydrogenniveauerne tættere og linjerne konvergerer.
Spektre fra atomer med mange elektroner
Atomer med mange elektroner har langt flere overgange. Underskalsenergier, elektron–elektron-interaktioner, spin–bane-kobling og udvælgelsesregler skaber en langt rigere niveaustruktur end i hydrogen.
En linjes intensitet afhænger af populationen af begyndelsestilstanden og overgangssandsynligheden, ikke kun af at to niveauer findes. Tilladte linjer fra samme grundstof kan derfor have meget forskellig styrke.
Fra bølgelængde til kemisk identifikation
Atomspektroskopi kan identificere grundstoffer i flammer, plasmaer, udladninger og stjerneatmosfærer. Bølgelængdeskalaen skal kalibreres mod kendte linjer, og opløsningen skal være høj nok til at skelne nærliggende linjer.
En spektrallinje er ikke en bogstavelig ‘farvet elektron’. Den er en foton, som udsendes eller absorberes, når atomets kvantetilstand ændres.
Beregner for hydrogenovergange
Linjeudbredning og virkelige målinger
Virkelige linjer har en endelig bredde. Termisk bevægelse giver Dopplerudbredning, kollisioner giver trykudbredning, og en endelig levetid for den exciterede tilstand giver naturlig udbredning. Instrumentet bidrager desuden med sin egen opløsningsfunktion.
Bredden er ikke kun en målefejl; den kan fortælle om temperatur, tryk, hastighed og lokalt miljø.
Seriegrænser afslører ionisationsenergier
I en hydrogenserie kommer linjerne tættere og tættere, når nhøj stiger. Ved seriegrænsen er den øvre tilstand nået kontinuummet: atomet er ioniseret.
For overgange fra grundtilstanden svarer Lyman-grænsen til 13,6 eV. Konvergensen viser, at bundne niveauer samler sig mod en endelig ionisationstærskel.
Læs et spektrum som data
| Egenskab | Fysisk information |
|---|---|
| Linjeposition | Energiforskel mellem kvantetilstande. |
| Relativ intensitet | Population af begyndelsestilstande og overgangssandsynlighed. |
| Linjebredde | Termisk bevægelse, tryk/kollisioner, levetid og instrumentopløsning. |
| Systematisk forskydning | Relativ bevægelse via Dopplereffekten. |
| Fin opsplitning | Spin–bane-interaktion eller eksterne elektriske/magnetiske felter. |
Spektrometre, kalibrering og opløsningsevne
Et spektrometer adskiller bølgelængder med et diffraktionsgitter, et prisme eller en interferometrisk metode og registrerer intensiteten som funktion af bølgelængde eller frekvens. Kalibrering oversætter detektorposition til en fysisk bølgelængdeskala.
Opløsningsevnen afgør, om to nærliggende egenskaber ses som separate linjer. Højere opløsning kan afsløre finstruktur, isotopskift eller udbredte komponenter, som ellers flyder sammen.
Atomspektre og molekylspektre
Atomer har elektroniske overgange, men ingen molekylær rotation eller vibration. Molekyler tilføjer rotations- og vibrationsfrihedsgrader, så én elektronisk overgang kan ledsages af mange interne overgange og danne bånd.
I en flamme eller udladning kan smalle atomlinjer derfor forekomme sammen med mere komplekse molekylære bånd. Det er vigtigt at skelne mellem dem.
Flammeprøver og laboratorieidentifikation
Opvarmning af et salt i en flamme kan excitere atomer eller ioner, som udsender karakteristisk synligt lys. Natriums stærke gule emission er så intens, at selv spor af natrium kan dominere flammefarven.
Et spektrometer er mere pålideligt end øjet, fordi det adskiller bølgelængder og kan skelne overlappende emittere.
Øvelser
Balmer-identifikation
En synlig hydrogenlinje tilhører Balmer-serien. Hvad er slutniveauet?
Løsning
n = 2. Balmer-serien omfatter de overgange, der ender på det andet energiniveau.
Emission og absorption
Hvad er den fysiske forskel mellem en emissionslinje og den tilsvarende absorptionslinje?
Løsning
De involverer samme energiforskel. Ved emission går atomet ned i energi og udsender en foton; ved absorption går det op ved at optage en foton med samme energi.
Linjebredde
En spektrallinje er usædvanligt bred. Hvilke fysiske mekanismer kan bidrage?
Løsning
Mulige årsager er stærkere termisk Dopplerudbredning, flere kollisioner eller højere tryk, kort tilstandslevetid og begrænset instrumentopløsning.