Widma atomowe
Widma atomowe są bezpośrednim skutkiem kwantowania energii w atomie. Rozrzedzony wzbudzony gaz emituje światło tylko przy wybranych długościach fali, a chłodniejszy gaz może pochłaniać te same charakterystyczne energie. Układ linii działa jak podpis pierwiastka, ale położenie, natężenie i szerokość linii niosą różne informacje.
Linie zamiast ciągłego pasma
Rozrzedzony gaz atomowy daje ostre linie, ponieważ elektronowe stany atomu mają dyskretne energie. Foton jest emitowany przy przejściu w dół i pochłaniany przy przejściu w górę.
Dla danego przejścia obowiązuje ΔE = hν = hc/λ. Ta sama luka energetyczna może więc pojawić się jako jasna linia emisyjna albo ciemna linia absorpcyjna, zależnie od sposobu oświetlenia próbki.
Wodór i równanie Rydberga
Dla wodoru długości fal przewiduje 1/λ = R_H(1/n_low² − 1/n_high²). Linie kończące się na n = 2 tworzą serię Balmera; 3 → 2 daje Hα około 656 nm, a 4 → 2 Hβ około 486 nm.
Serie zbiegają się przy granicy jonizacji, ponieważ poziomy o dużym n leżą coraz bliżej siebie. Granica Lymana odpowiada energii jonizacji stanu podstawowego, około 13,6 eV.
Kalkulator przejścia wodoru
Widma wielu elektronów
W atomach wieloelektronowych dochodzą różnice energii podpowłok, odpychanie elektron–elektron, sprzężenie spin–orbita i reguły wyboru. Zamiast prostej serii wodoru pojawia się bogaty zestaw charakterystycznych linii.
Samo istnienie dwóch poziomów nie gwarantuje silnej linii. Natężenie zależy od obsadzenia stanu początkowego i prawdopodobieństwa przejścia, dlatego analiza ilościowa wymaga kalibracji.
Szerokość i przesunięcie linii
Rzeczywiste linie nie są nieskończenie wąskie. Ruch cieplny daje poszerzenie Dopplera, zderzenia poszerzenie ciśnieniowe, a skończony czas życia stanu naturalną szerokość. Aparat dodaje własną funkcję rozdzielczą.
Systematyczne przesunięcie długości fali może ujawnić ruch źródła. Rozszczepienia subtelne, Zeemana i Starka pozwalają badać momenty pędu oraz pola zewnętrzne.
Od płomienia do spektrometru
Test płomieniowy pokazuje zasadę jakościowo: wzbudzony sód emituje bardzo silne żółte linie. Spektrometr rozdziela długości fal i porównuje je ze wzorcami, zamiast polegać na ocenie barwy przez oko.
W astronomii ta sama fizyka pozwala identyfikować pierwiastki bez pobierania próbki. Widmo może jednocześnie dostarczać informacji o temperaturze, gęstości i prędkości źródła.
Jak czytać widmo bez nadinterpretacji
Położenie linii mówi przede wszystkim o różnicy energii między stanami. Natężenie zależy dodatkowo od liczby atomów w odpowiednim stanie, prawdopodobieństwa przejścia i odpowiedzi detektora, a szerokość od dynamiki źródła oraz aparatury.
Dlatego pojedynczy „wysoki pik” nie oznacza automatycznie większej energii poziomu. W poprawnej analizie osobno interpretuje się pozycję, intensywność i szerokość, a następnie sprawdza zgodność całego zestawu linii.
Przykłady rozwiązane
1. Przejście 4 → 2
Rozwiązanie
Kończy się na n = 2, więc należy do serii Balmera i daje linię około 486 nm.
2. Emisja i absorpcja
Rozwiązanie
Ta sama różnica ΔE może dać jasną linię emisji albo ciemną linię absorpcji.
3. Poszerzenie
Rozwiązanie
Przykładem jest poszerzenie Dopplera wywołane ruchem cieplnym atomów.