Atomski spektri
Atomski spektri izravna su posljedica kvantizacije energije u atomu. Razrijeđeni pobuđeni plin emitira svjetlost samo na odabranim valnim duljinama, a hladniji plin može apsorbirati iste karakteristične energije. Uzorak linija djeluje kao potpis elementa, a položaj, intenzitet i širina nose različite informacije.
Linije umjesto kontinuiranog pojasa
Razrijeđeni atomski plin daje oštre linije jer elektronska stanja imaju diskretne energije. Foton nastaje pri prijelazu prema dolje, a apsorbira se pri prijelazu prema gore.
Za određeni prijelaz vrijedi ΔE = hν = hc/λ. Ista energijska razlika zato se može pojaviti kao svijetla emisijska ili tamna apsorpcijska linija.
Vodik i Rydbergov odnos
Za vodik vrijedi 1/λ = R_H(1/n_low² − 1/n_high²). Prijelazi koji završavaju na n = 2 čine Balmerovu seriju; 3 → 2 daje Hα oko 656 nm, a 4 → 2 Hβ oko 486 nm.
Serije se zgušnjavaju prema ionizacijskoj granici jer su razine velikog n sve bliže. Granica Lymanove serije odgovara ionizacijskoj energiji osnovnog stanja, oko 13,6 eV.
Kalkulator prijelaza vodika
Višeelektronski spektri
U višeelektronskim atomima pojavljuju se razlike podljuski, odbijanje elektrona, spin-orbitalna sprega i izborna pravila. Rezultat je bogat, ali karakterističan skup linija.
Samo postojanje dviju razina ne jamči jaku liniju. Intenzitet ovisi o popunjenosti početnog stanja i vjerojatnosti prijelaza, pa kvantitativna analiza zahtijeva kalibraciju.
Širina i pomak linija
Stvarne linije nisu beskonačno uske. Toplinsko gibanje uzrokuje Dopplerovo širenje, sudari tlačno širenje, a konačan vijek pobuđenog stanja prirodnu širinu. Instrument dodaje vlastitu razlučivost.
Sustavan pomak valne duljine može otkriti gibanje izvora. Fina, Zeemanova i Starkova cijepanja daju podatke o kutnoj količini gibanja i vanjskim poljima.
Od plamena do spektrometra
Plameni test kvalitativno pokazuje načelo: pobuđeni natrij daje snažne žute linije. Spektrometar razdvaja valne duljine i uspoređuje ih sa standardom, pa nije ograničen ljudskim opažanjem boje.
U astronomiji ista fizika otkriva sastav bez uzorka. Spektar istodobno može nositi podatke o temperaturi, gustoći i brzini izvora.
Kako čitati spektar bez pretjerane interpretacije
Položaj linije prvenstveno govori o razlici energija stanja. Intenzitet dodatno ovisi o broju atoma u odgovarajućem stanju, vjerojatnosti prijelaza i odzivu detektora, dok širinu određuju dinamika izvora i instrument.
Jedan visok vrh zato ne znači automatski veću energiju razine. Ispravna analiza odvojeno tumači položaj, intenzitet i širinu te zatim provjerava slaže li se cijeli uzorak linija.
Riješeni primjeri
1. Prijelaz 4 → 2
Rješenje
Završava na n = 2, pripada Balmerovoj seriji i ima oko 486 nm.
2. Emisija i apsorpcija
Rješenje
Ista razlika ΔE može dati svijetlu emisijsku ili tamnu apsorpcijsku liniju.
3. Širenje
Rješenje
Primjer je Dopplerovo širenje uzrokovano toplinskim gibanjem atoma.