Atomispektrit
Atomispektri on niiden aallonpituuksien tai taajuuksien joukko, joita atomi voi absorboida tai lähettää siirtyessään kvantittuneiden energiatilojen välillä. Koska tasorakenne riippuu ytimen varauksesta ja elektroneista, spektriviivat ovat alkuaineelle tunnusomaisia.
Diskreetit viivat
Siirtymässä ΔE=hν. Sidottujen atomitilojen energiat ovat diskreettejä, joten harva kaasu tuottaa tarkkoja viivoja mielivaltaisen jatkuvan spektrin sijaan.
Emissio ja absorptio
Viritystila voi purkautua ja lähettää fotonin. Alemmassa tilassa oleva atomi voi absorboida fotonin vain, jos energia vastaa sallittua tilojen väliä. Emissio- ja absorptiospektrit perustuvat siis samoihin energiatasoihin.
Vety
Vedyn yksinkertaiset −1/n²-tasot tuottavat Lyman-, Balmer- ja Paschen-sarjat. Eri sarjat päättyvät eri n-arvoihin ja sijoittuvat siksi ultraviolettiin, näkyvään tai infrapuna-alueeseen.
Monielektroniset atomit
Elektronien keskinäinen vuorovaikutus, spin-rata-kytkentä ja useiden konfiguraatioiden sekoittuminen tekevät spektristä tiheämmän. Todellinen atomispektri kertoo siksi paljon hienorakenteesta ja elektronikorrelatiosta.
Viivojen leveys
Lämpöliike aiheuttaa Doppler-levenemistä, törmäykset painelevenemistä ja tilan äärellinen elinaika luonnollista leveyttä. Myös instrumentti lisää oman vasteensa. Viivan muoto voi siksi mitata lämpötilaa, painetta ja nopeuksia.
Ulkoiset kentät
Magneettinen kenttä hajottaa tasoja Zeeman-ilmiössä ja sähkökenttä Stark-ilmiössä. Näitä muutoksia käytetään kvanttilukujen ja ympäröivien kenttien mittaamiseen.
Alkuaineiden tunnistus
Spektriviivojen avulla tunnistetaan alkuaineita liekeissä, plasmaolosuhteissa ja tähtien kaasussa. Kvantitatiivinen analyysi tarvitsee lisäksi lämpötilan, virityspopulaatioiden ja optisen paksuuden huomiointia.
Valintasäännöt
Kaikki energiatasojen erot eivät tuota yhtä voimakasta viivaa. Symmetria ja kulmaliikemäärä määräävät siirtymätodennäköisyyksiä. Kielletty siirtymä voi silti tapahtua heikommalla mekanismilla ja olla tärkeä esimerkiksi harvassa tähtisumukaasussa.
Viivan intensiteetti on lisätieto
Viivan taajuus kertoo tasojen energiaeron, mutta intensiteetti riippuu lähtötilan populaatiosta ja siirtymätodennäköisyydestä. Siksi saman alkuaineen spektrin suhteelliset viivakorkeudet voivat muuttua lämpötilan tai viritystavan mukana, vaikka itse energiatasot pysyvät samoina. Kvantitatiivinen spektroskopia käyttää tätä tietoa myös lämpötilan arviointiin.
Miksi eri alkuaineilla on erilaiset spektriviivat?
Koska erilainen Z ja elektronirakenne tuottavat erilaiset energiatasot ja siten erilaiset ΔE-arvot ja fotonitaajuudet.
Harjoitus
Ratkaisu