Atomski spektri
Atomski spektri so neposredna posledica kvantiranja energije v atomu. Redek vzbujen plin seva le pri izbranih valovnih dolžinah, hladnejši plin pa lahko iste značilne energije absorbira. Vzorec črt deluje kot podpis elementa, položaj, jakost in širina pa nosijo različne informacije.
Črte namesto zveznega pasu
Redek atomski plin daje ostre črte, ker imajo elektronska stanja diskretne energije. Foton nastane pri prehodu navzdol in se absorbira pri prehodu navzgor.
Za določen prehod velja ΔE = hν = hc/λ. Ista energijska razlika se zato lahko pokaže kot svetla emisijska ali temna absorpcijska črta.
Vodik in Rydbergova zveza
Za vodik velja 1/λ = R_H(1/n_low² − 1/n_high²). Prehodi, ki se končajo pri n = 2, tvorijo Balmerjevo serijo; 3 → 2 daje Hα okoli 656 nm, 4 → 2 pa Hβ okoli 486 nm.
Serije se zgoščujejo proti ionizacijski meji, ker so ravni z velikim n vedno bliže. Meja Lymanove serije ustreza ionizacijski energiji osnovnega stanja, približno 13,6 eV.
Kalkulator vodikovega prehoda
Večelektronski spektri
Pri večelektronskih atomih nastopijo razlike podlupin, odboj elektronov, spin-orbitalna sklopitev in izbirna pravila. Rezultat je bogat, vendar značilen vzorec črt.
Sam obstoj dveh ravni še ne zagotavlja močne črte. Jakost je odvisna od zasedenosti začetnega stanja in verjetnosti prehoda, zato kvantitativna analiza zahteva kalibracijo.
Širina in premik črt
Realne črte niso neskončno ozke. Toplotno gibanje povzroči Dopplerjevo širjenje, trki tlačno širjenje, končna življenjska doba vzbujenega stanja pa naravno širino. Instrument doda svojo ločljivost.
Sistematičen premik valovne dolžine lahko pokaže gibanje vira. Fina, Zeemanova in Starkova razcepitev pa razkrivajo vrtilno količino in zunanja polja.
Od plamena do spektrometra
Plamenski preizkus pokaže načelo kvalitativno: vzbujen natrij daje močne rumene črte. Spektrometer valovne dolžine loči in jih primerja s standardom, zato ni odvisen od človeškega zaznavanja barve.
V astronomiji ista fizika razkrije sestavo brez odvzema vzorca. Spekter lahko hkrati nosi podatke o temperaturi, gostoti in hitrosti vira.
Kako brati spekter brez pretirane razlage
Položaj črte pove predvsem razliko energij med stanjema. Jakost je dodatno odvisna od števila atomov v ustreznem stanju, verjetnosti prehoda in odziva detektorja, širino pa določata dinamika vira in instrument.
En sam visok vrh zato ne pomeni samodejno večje energije nivoja. Pravilna analiza loči položaj, jakost in širino ter šele nato preveri skladnost celotnega vzorca črt.
Rešeni primeri
1. Prehod 4 → 2
Rešitev
Konča se pri n = 2, zato spada v Balmerjevo serijo in ima približno 486 nm.
2. Emisija in absorpcija
Rešitev
Ista razlika ΔE lahko da svetlo emisijsko ali temno absorpcijsko črto.
3. Širjenje
Rešitev
Primer je Dopplerjevo širjenje, ki ga povzroči toplotno gibanje atomov.