Atomspektre

Spektrallinjer i stedet for et kontinuerlig regnbuebånd

Et varmt, tett legeme kan gi et nesten kontinuerlig spektrum. En tynn gass av eksiterte atomer gir derimot skarpe emisjonslinjer. Når kontinuerlig lys passerer gjennom en kjøligere atomgass, kan de samme tillatte overgangene ses som mørke absorpsjonslinjer.

Emisjon og absorpsjon er to retninger i det samme energinivåsystemet. Ved emisjon går atomet til en lavere energi og sender ut et foton; ved absorpsjon tar atomet opp et foton og går til en høyere tillatt tilstand.

Hydrogen og Rydberg-relasjonen

Hydrogen er det enkleste spektrale systemet. Bølgelengdene kan beskrives med Rydberg-relasjonen, 1/λ = R_H(1/n_lav² − 1/n_høy²), der n_høy > n_lav. Balmer-serien består av overganger som ender ved n = 2; Hα ved omtrent 656 nm er overgangen 3 → 2, mens Hβ nær 486 nm er 4 → 2.

Seriene konvergerer når det øvre kvantetallet blir stort. Det skjer fordi energinivåene ligger stadig tettere mot ionisasjonsgrensen; serien fortsetter derfor ikke med jevnt fordelte nivåer.

Spektre fra atomer med mange elektroner

I atomer med flere elektroner splittes nivåene av elektron–elektron-frastøtning, underskall, spinn–bane-kobling og andre vekselvirkninger. Derfor får slike atomer et langt rikere sett av linjer enn hydrogen.

At en energiforskjell finnes, er ikke nok til å bestemme linjens styrke. Intensiteten avhenger også av hvor mange atomer som befinner seg i starttilstanden og hvor sannsynlig overgangen er etter kvantemekaniske utvalgsregler.

Fra bølgelengde til kjemisk identifikasjon

Spektroskopi brukes til å identifisere atomer i flammer, plasmaer, gassutladninger og stjerner. Måleapparatet må kalibreres mot kjente linjer, og oppløsningen må være høy nok til å skille linjer som ligger tett.

Kalkulator for hydrogenoverganger

Linjebredde i virkelige målinger

Spektrallinjer er ikke uendelig smale. Termisk bevegelse gir Doppler-bredde, kollisjoner gir trykkbredde, en endelig levetid for den eksiterte tilstanden gir naturlig bredde, og instrumentet legger til sin egen respons. Bredden kan derfor brukes til å anslå temperatur, trykk og bevegelse.

Seriegrenser avslører ionisasjonsenergien

Når n_høy øker i en hydrogensserie, kommer linjene tettere og tettere. Ved seriegrensen ligger den øvre tilstanden i kontinuumet: elektronet er ikke lenger bundet. For Lyman-serien fra grunntilstanden svarer grensen til omtrent 13,6 eV.

Les et spektrum som et datasett

Spektrometre, kalibrering og oppløsning

Et spektrometer skiller bølgelengder med for eksempel et gitter, et prisme eller interferometri og registrerer intensitet som funksjon av bølgelengde. Kalibrering gjør det mulig å omsette detektorposisjon til fysisk bølgelengde. Høyere oppløsning kan skille fine strukturer som ellers flyter sammen.

Atomspektre og molekylspektre

Atomer har elektroniske overganger, men ikke molekylrotasjon eller molekylvibrasjon. Molekyler har disse ekstra frihetsgradene, slik at én elektronisk overgang kan ledsages av mange vibrasjons- og rotasjonsoverganger. Resultatet er ofte bånd i stedet for isolerte, skarpe linjer.

Flammetester og laboratorieidentifikasjon

Når et salt varmes i en flamme, kan atomer eller ioner eksiteres og sende ut karakteristisk synlig lys. Natriums sterke gule linjer kan dominere selv ved små spor. Et spektrometer er sikrere enn øyet fordi det skiller overlappende bølgelengder og viser den faktiske linjestrukturen.

Øvelser

Balmer-identifikasjon

Hvilken spektralserie inneholder hydrogenovergangen 4 → 2?

Emisjon og absorpsjon

Hvorfor kan den samme bølgelengden være lys i ett spektrum og mørk i et annet?

Linjebredde

Nevn én fysisk årsak til spektral bredde.