Атомні спектри
Атомні спектри — це характерні набори частот або довжин хвиль, які атоми випромінюють чи поглинають при переходах між квантованими енергетичними станами. Оскільки рівні залежать від Z та електронної структури, спектр кожного елемента має власний впізнаваний малюнок.
Чому лінії дискретні
Енергії зв’язаних станів дискретні, тому фотон переходу має E=hν=ΔE. Атом не випромінює довільну частоту для даної пари станів.
Випромінювання й поглинання
Збуджений атом може випромінити фотон при переході вниз. Атом у нижчому стані може поглинути фотон, коли його енергія відповідає дозволеній різниці. Обидва процеси відображають ту саму систему рівнів.
Водневі серії
Для водню простий закон приблизно −1/n² дає серії Лаймана, Бальмера й Пашена. Вони відповідають переходам до різних кінцевих n і потрапляють у різні ділянки електромагнітного спектра.
Багатоелектронні атоми
Електрон-електронна взаємодія, спін-орбітальний зв’язок та конфігураційна взаємодія створюють значно складніші системи рівнів. Саме тому реальний спектр містить багату інформацію про структуру атома.
Ширина ліній
Тепловий рух створює доплерівське розширення, зіткнення — тискове, а скінченний час життя — природне. До них додається апаратна функція спектрометра.
Зееман і Штарк
Магнітне поле розщеплює рівні через ефект Зеемана, електричне — через ефект Штарка. Такі зміни використовують для вимірювання полів і перевірки квантових чисел.
Ідентифікація елементів
Спектральні лінії дозволяють визначати елементи в зорях, плазмі, полум’ї та промислових процесах. Для кількісного аналізу потрібні також температура, густина, ймовірності переходів і калібрування.
Правила відбору
Не кожна різниця енергій дає сильну лінію. Симетрія та кутовий момент задають правила відбору. Слабкі «заборонені» переходи можуть стати важливими в розріджених астрофізичних середовищах.
Інтенсивність ліній теж містить інформацію
Положення лінії визначає різницю енергій, але її інтенсивність залежить від населення початкового рівня і ймовірності переходу. Тому спектр може змінювати відносні висоти ліній із температурою або умовами збудження, не змінюючи самі атомні рівні. У кількісній спектроскопії це принципово: слабка лінія не обов’язково означає малу кількість елемента, якщо відповідний перехід має низьку ймовірність.
Спектр як тест квантової моделі
Успіх моделі атома перевіряють не лише тим, чи вона приблизно пояснює кольори, а тим, чи відтворює точні частоти, розщеплення й інтенсивності. Відхилення між розрахунком і спектром привели до відкриття спіну, тонкої структури та квантової електродинаміки. Тому спектроскопія — не декоративне застосування квантової теорії, а один із найсуворіших способів її перевірки.
Вправа
Чому різні елементи мають різні спектральні лінії?
Розв’язання
Їхні ядра та електронні конфігурації створюють різні енергетичні рівні, тому відрізняються можливі ΔE і частоти фотонів.