Atomispektrit

Spektriviivoja jatkuvan sateenkaaren sijaan

Kuuma tiheä aine voi tuottaa lähes jatkuvan spektrin, mutta harva virittynyt atomikaasu tuottaa teräviä emissiojuovia. Kun jatkuva valo kulkee viileämmän atomikaasun läpi, samat sallitut siirtymät näkyvät tummina absorptiojuovina.

Emissio ja absorptio ovat saman energiatilajärjestelmän vastakkaisia prosesseja. Emissiossa atomi siirtyy alempaan energiatilaan ja lähettää fotonin; absorptiossa fotoni nostaa atomin korkeampaan sallittuun tilaan.

Vety ja Rydbergin yhtälö

Vedyn spektri on yksinkertaisin atomispektri. Aallonpituuksia voidaan kuvata Rydbergin yhtälöllä 1/λ = R_H(1/n_ala² − 1/n_ylä²), missä n_ylä > n_ala. Balmerin sarjaan kuuluvat siirtymät, jotka päättyvät tasolle n = 2; Hα noin 656 nm vastaa siirtymää 3 → 2 ja Hβ noin 486 nm siirtymää 4 → 2.

Sarjan viivat lähestyvät toisiaan, kun ylempi kvanttiluku kasvaa. Tämä johtuu siitä, että vedyn energiatasot pakkautuvat kohti ionisaatiorajaa eivätkä pysy tasavälisinä.

Monielektronisten atomien spektrit

Monielektronisissa atomeissa elektronien välinen vuorovaikutus, alikuorien energiat, spin–rata-kytkentä ja muut hienorakenteen vaikutukset synnyttävät suuren määrän mahdollisia tiloja ja siirtymiä. Spektri on siksi paljon monimutkaisempi kuin vedyn.

Viivan intensiteetti ei määräydy pelkän energiatilaeron perusteella. Se riippuu myös lähtötilan populaatiosta ja siirtymän kvanttimekaanisesta todennäköisyydestä eli valintasäännöistä.

Aallonpituudesta kemialliseen tunnistamiseen

Spektroskopialla tunnistetaan atomeja liekeissä, plasmoissa, kaasupurkauksissa ja tähtien kaasukehissä. Mittaus on kalibroitava tunnettujen viivojen avulla, ja erotuskyvyn on oltava riittävä lähekkäisten spektriviivojen erottamiseen.

Vedyn siirtymälaskuri

Viivanleveys todellisissa mittauksissa

Spektriviivoilla on aina äärellinen leveys. Lämpöliike aiheuttaa Doppler-levenemistä, törmäykset painelevenemistä, viritystilan rajallinen elinikä luonnollista levenemistä ja mittalaite oman instrumentaalisen vasteensa. Leveys voi siten kertoa lämpötilasta, paineesta ja liikkeestä.

Sarjaraja paljastaa ionisaatioenergian

Kun n_ylä kasvaa, saman sarjan viivat tulevat yhä lähemmäs toisiaan. Sarjarajalla ylempi tila on saavuttanut kontinuumin eli elektroni ei enää ole sidottu. Vedyn perustilasta lähtevän Lymanin sarjan raja vastaa noin 13,6 eV:n ionisaatioenergiaa.

Spektrin lukeminen datana

Spektrometrit, kalibrointi ja erotuskyky

Spektrometri erottaa aallonpituudet hilalla, prismalla tai interferometrisesti ja rekisteröi intensiteetin aallonpituuden funktiona. Kalibrointi muuntaa detektorin paikan fysikaaliseksi aallonpituudeksi. Suuri erotuskyky voi paljastaa hienorakenteen, isotooppisiirtymiä tai paineen leventämiä komponentteja.

Atomispektrit ja molekyylispektrit

Atomeilla on elektronisia siirtymiä mutta ei molekyylien rotaatio- ja värähtelytiloja. Molekyyleissä nämä lisävapausasteet synnyttävät suuren määrän lähekkäisiä viivoja, joten spektri näkyy usein kaistarakenteena yksittäisten terävien viivojen sijaan.

Liekkikokeet ja laboratorioanalyysi

Liekin lämpö voi virittää suolan atomeja tai ioneja, jotka emittoivat ominaisia näkyvän valon aallonpituuksia. Natriumin keltainen emissio on niin voimakas, että pienetkin epäpuhtaudet voivat hallita liekin väriä. Spektrometri on silmää luotettavampi, koska se erottaa päällekkäiset aallonpituudet.

Harjoitukset

Balmerin sarja

Mihin spektrisarjaan vedyn siirtymä 4 → 2 kuuluu?

Emissio ja absorptio

Miksi sama aallonpituus voi näkyä yhdessä spektrissä kirkkaana ja toisessa tummana?

Viivanleveys

Mainitse yksi spektriviivan levenemisen fysikaalinen syy.