Atómové spektrá
Atómové spektrá sú priamym dôsledkom kvantovania energie v atóme. Riedky excitovaný plyn vyžaruje svetlo iba pri vybraných vlnových dĺžkach a chladnejší plyn môže rovnaké charakteristické energie absorbovať. Súbor čiar funguje ako podpis prvku a poloha, intenzita aj šírka nesú rozdielne informácie.
Čiary namiesto spojitého pásu
Riedky atómový plyn dáva ostré čiary, pretože elektrónové stavy majú diskrétne energie. Fotón vzniká pri prechode nadol a absorbuje sa pri prechode nahor.
Pre určitý prechod platí ΔE = hν = hc/λ. Rovnaký energetický rozdiel sa teda môže prejaviť ako jasná emisná alebo tmavá absorpčná čiara.
Vodík a Rydbergov vzťah
Pre vodík platí 1/λ = R_H(1/n_low² − 1/n_high²). Prechody končiace na n = 2 tvoria Balmerovu sériu; 3 → 2 dáva Hα asi 656 nm a 4 → 2 Hβ asi 486 nm.
Série sa zbiehajú k ionizačnej hranici, pretože hladiny s vysokým n sú čoraz bližšie. Limit Lymanovej série zodpovedá ionizačnej energii základného stavu, asi 13,6 eV.
Kalkulačka prechodu vodíka
Viac-elektrónové spektrá
Vo viac-elektrónových atómoch pribúdajú rozdiely podvrstiev, odpudzovanie elektrónov, spin-orbitálna väzba a výberové pravidlá. Výsledkom je bohatý, ale charakteristický súbor čiar.
Samotná existencia dvoch hladín nezaručuje silnú čiaru. Intenzita závisí od obsadenia počiatočného stavu a pravdepodobnosti prechodu, preto kvantitatívna práca vyžaduje kalibráciu.
Šírka a posun čiar
Skutočné čiary nie sú nekonečne úzke. Tepelný pohyb spôsobuje Dopplerovo rozšírenie, zrážky tlakové rozšírenie a konečný život excitovaného stavu prirodzenú šírku. Prístroj pridáva vlastné rozlíšenie.
Systematický posun vlnovej dĺžky môže ukázať pohyb zdroja. Jemné, Zeemanovo a Starkovo štiepenie poskytujú údaje o momente hybnosti a vonkajších poliach.
Od plameňa k spektrometru
Plameňová skúška ukazuje princíp kvalitatívne: excitovaný sodík dáva silné žlté čiary. Spektrometer však vlnové dĺžky oddelí a porovná so štandardom, takže sa nespolieha na ľudské vnímanie farby.
V astronómii rovnaká fyzika odhaľuje zloženie bez odberu vzorky. Spektrum môže súčasne niesť údaje o teplote, hustote a rýchlosti zdroja.
Ako čítať spektrum bez prehnanej interpretácie
Poloha čiary hovorí najmä o rozdiele energií stavov. Intenzita navyše závisí od počtu atómov v príslušnom stave, pravdepodobnosti prechodu a odozvy detektora, zatiaľ čo šírku ovplyvňuje dynamika zdroja aj prístroj.
Jeden vysoký pík teda automaticky neznamená väčšiu energiu hladiny. Správna analýza oddeľuje polohu, intenzitu a šírku a až potom kontroluje súlad celého vzoru čiar.
Vyriešené príklady
1. Prechod 4 → 2
Riešenie
Končí na n = 2, patrí teda do Balmerovej série a má asi 486 nm.
2. Emisia a absorpcia
Riešenie
Rovnaký rozdiel ΔE môže dať jasnú emisnú alebo tmavú absorpčnú čiaru.
3. Rozšírenie
Riešenie
Príkladom je Dopplerovo rozšírenie spôsobené tepelným pohybom atómov.