Atomspektra
Atomspektra är direkta belägg för att atomära energier är kvantiserade. Exciterade atomer sänder ut ljus vid utvalda våglängder och kan också absorbera samma karakteristiska våglängder. Mönstret identifierar grundämnet och ger information om dess elektronstruktur.
Spektrallinjer i stället för en kontinuerlig regnbåge
En exciterad atomgas sänder normalt inte ut alla möjliga färger. Emissionsspektrumet består av smala linjer på bestämda positioner. I absorption syns mörka linjer vid samma energier eftersom fotoner för atomen mellan samma tillåtna nivåer.
En linjes position motsvarar en energiskillnad: ΔE = hν = hc/λ. Våglängden är alltså inte bara en färgetikett utan ett mått på skillnaden mellan två kvanttillstånd.
Väte och Rydberg-relationen
För väte beskrivs många övergångsvåglängder av 1/λ = RH(1/nlåg² − 1/nhög²), där nhög > nlåg. Serierna grupperas efter slutnivå: Lyman slutar vid n=1, Balmer vid n=2 och Paschen vid n=3.
Balmerlinjen Hα vid ungefär 656 nm är övergången 3→2; Hβ nära 486 nm är 4→2. När nhög ökar ligger vätenivåerna tätare och linjerna konvergerar.
Spektra från atomer med många elektroner
Atomer med många elektroner har betydligt fler övergångar. Underskalsenergier, elektron–elektron-växelverkan, spinn–ban-koppling och urvalsregler skapar en mycket rikare nivåstruktur än i väte.
En linjes intensitet beror på populationen av starttillståndet och på övergångssannolikheten, inte bara på att två nivåer finns. Tillåtna linjer från samma grundämne kan därför vara mycket olika starka.
Från våglängd till kemisk identifiering
Atomspektroskopi kan identifiera grundämnen i lågor, plasma, urladdningar och stjärnatmosfärer. Våglängdsskalan måste kalibreras mot kända linjer och upplösningen vara tillräcklig för att skilja närliggande linjer.
En spektrallinje är inte en bokstavlig ‘färgad elektron’. Den är en foton som avges eller absorberas när atomens kvanttillstånd ändras.
Kalkylator för väteövergångar
Linjeutbredning och verkliga mätningar
Verkliga linjer har ändlig bredd. Termisk rörelse ger Dopplerbreddning, kollisioner ger tryckbreddning och en ändlig livstid för det exciterade tillståndet ger naturlig breddning. Instrumentet lägger dessutom till sin egen upplösningsfunktion.
Bredden är inte bara en mätbrist; den kan innehålla information om temperatur, tryck, hastighet och lokal miljö.
Seriegränser avslöjar jonisationsenergier
I en väteserie kommer linjerna allt närmare varandra när nhög ökar. Vid seriegränsen har det övre tillståndet nått kontinuum: atomen har joniserats.
För övergångar från grundtillståndet motsvarar Lyman-gränsen 13,6 eV. Konvergensen visar att bundna nivåer samlas mot en ändlig jonisationströskel.
Läs ett spektrum som data
| Egenskap | Fysikalisk information |
|---|---|
| Linjeposition | Energiskillnad mellan kvanttillstånd. |
| Relativ intensitet | Population av starttillstånd och övergångssannolikhet. |
| Linjebredd | Termisk rörelse, tryck/kollisioner, livstid och instrumentupplösning. |
| Systematisk förskjutning | Relativ rörelse genom Dopplereffekten. |
| Fin uppsplittring | Spinn–ban-växelverkan eller externa elektriska/magnetiska fält. |
Spektrometrar, kalibrering och upplösningsförmåga
En spektrometer separerar våglängder med ett diffraktionsgitter, prisma eller en interferometrisk metod och registrerar intensitet som funktion av våglängd eller frekvens. Kalibrering omvandlar detektorposition till en fysisk våglängdsskala.
Upplösningsförmågan avgör om två närliggande egenskaper syns som separata linjer. Högre upplösning kan avslöja finstruktur, isotopskift eller breddade komponenter som annars flyter ihop.
Atomspektra och molekylspektra
Atomer har elektroniska övergångar men ingen molekylär rotation eller vibration. Molekyler har dessutom rotations- och vibrationsfrihetsgrader, så en elektronisk övergång kan följas av många interna övergångar och bilda band.
I en låga eller urladdning kan smala atomlinjer därför förekomma samtidigt med mer komplexa molekylband. Skillnaden är viktig vid tolkning.
Flamprov och laboratorieidentifiering
När ett salt värms i en låga kan atomer eller joner exciteras och sända ut karakteristiskt synligt ljus. Natriums starka gula emission är så intensiv att spår av natrium kan dominera den observerade färgen.
En spektrometer är mer tillförlitlig än ögat eftersom den separerar våglängder och kan skilja överlappande sändare.
Övningar
Balmeridentifiering
En synlig vätelinje tillhör Balmer-serien. Vilken är slutnivån?
Lösning
n = 2. Balmer-serien består av övergångar som slutar på den andra energinivån.
Emission och absorption
Vad är den fysikaliska skillnaden mellan en emissionslinje och motsvarande absorptionslinje?
Lösning
De gäller samma energiskillnad. Vid emission går atomen ned i energi och avger en foton; vid absorption går den upp genom att ta upp en foton med samma energi.
Linjebredd
En spektrallinje är ovanligt bred. Vilka fysikaliska mekanismer kan bidra?
Lösning
Möjliga orsaker är starkare termisk Dopplerbreddning, fler kollisioner eller högre tryck, kort livstid för tillståndet och begränsad instrumentupplösning.