Атомски спектри
Атомски спектри су непосредан доказ квантизованих енергија у атому. Побуђени атом емитује светлост само на одређеним таласним дужинама, а исти атом може апсорбовати фотоне истих карактеристичних енергија. Образац линија зато служи и за идентификацију елемента и за испитивање његове електронске структуре.
Спектралне линије уместо непрекидне дуге
Вруће густо тело може дати скоро непрекидан спектар, док разређен гас побуђених атома даје оштре емисионе линије. Када непрекидна светлост пролази кроз хладнији атомски гас, исти дозвољени прелази појављују се као тамне апсорпционе линије.
Емисија и апсорпција су супротни смерови у истом систему енергетских нивоа. При емисији атом прелази на нижи ниво и емитује фотон; при апсорпцији прима фотон и прелази у више дозвољено стање.
Водоник и Ридбергова релација
За водоник се таласне дужине могу описати релацијом 1/λ = R_H(1/n_ниско² − 1/n_високо²), при чему је n_високо > n_ниско. Балмерова серија обухвата прелазе који завршавају на n = 2; Hα око 656 nm је 3 → 2, а Hβ око 486 nm је 4 → 2.
Линије се згушњавају како расте горњи квантни број јер се енергетски нивои водоника приближавају један другом ка граници јонизације.
Спектри вишеелектронских атома
У атомима са више електрона енергетска стања се раздвајају због међуелектронских интеракција, подљуски, спин–орбиталног спрезања и других ефеката. Зато су њихови спектри много сложенији од водониковог.
Интензитет линије не зависи само од разлике енергија. Важни су и популација почетног стања и вероватноћа прелаза одређена квантномеханичким правилима избора.
Од таласне дужине до хемијске идентификације
Спектроскопија идентификује атоме у пламену, плазми, гасним пражњењима и звездама. Инструмент мора бити калибрисан познатим линијама и имати довољну резолуцију да раздвоји блиске спектралне карактеристике.
Калкулатор водоникових прелаза
Ширина линије у реалним мерењима
Спектралне линије имају коначну ширину. Топлотно кретање изазива Доплерово ширење, судари притисно ширење, коначан животни век побуђеног стања природно ширење, а инструмент додаје сопствену функцију одзива. Ширина зато може носити податке о температури, притиску и кретању.
Границе серија откривају енергију јонизације
Како n_високо расте, линије исте серије постају све ближе. На граници серије горње стање достиже континуум, односно електрон више није везан. За Лајманову серију из основног стања граница одговара приближно 13,6 eV.
Читање спектра као података
| Особина | Физичка информација |
|---|---|
| Положај линије | Разлика енергија квантних стања |
| Релативни интензитет | Популација и вероватноћа прелаза |
| Ширина линије | Температура, судари, животни век и инструмент |
| Систематски помак | Релативно кретање преко Доплеровог ефекта |
| Фино цепање | Спин–орбитално спрезање или спољна поља |
Спектрометри, калибрација и резолуција
Спектрометар раздваја таласне дужине дифракционом решетком, призмом или интерферометријом и бележи интензитет као функцију таласне дужине. Калибрација претвара положај на детектору у физичку таласну дужину. Већа резолуција може открити фину структуру и компоненте које се при мањој резолуцији преклапају.
Атомски и молекулски спектри
Атоми имају електронске прелазе, али не и молекулске ротације и вибрације. Молекули имају додатне степене слободе, па један електронски прелаз може бити праћен многим вибрационим и ротационим прелазима. Због тога молекулски спектри често образују траке.
Пламени тестови и лабораторијска идентификација
Загревање соли у пламену може побудити атоме или јоне који емитују карактеристичну видљиву светлост. Жута емисија натријума је толико јака да и трагови нечистоће могу доминирати бојом. Спектрометар је поузданији од визуелне процене јер раздваја таласне дужине.
Задаци
Балмерова серија
Којој спектралној серији припада прелаз водоника 4 → 2?
Решење
Балмеровој серији, јер је крајњи ниво n = 2.
Емисија и апсорпција
Зашто иста таласна дужина може бити светла у једном спектру, а тамна у другом?
Решење
Исти енергетски размак може емитовати фотон при прелазу надоле или апсорбовати фотон при прелазу нагоре.
Ширина линије
Наведите један физички узрок ширења спектралне линије.
Решење
На пример Доплерово ширење због топлотног кретања или притисно ширење због судара.