ЩО ТАКЕ СПЕКТР ВИКИДІВ? (ІЗ ПРИКЛАДАМИ) - ФІЗИЧНІ - 2025

Спектр випромінювання являє собою спектр довжини хвиль світла , випромінюваних атомами і молекулами при здійсненні переходу між двома енергетичними станами. Біле або видиме світло, що вражає призму, розпадається на різні кольори із визначеною довжиною хвилі для кожного кольору. Отриманий малюнок кольорів - це видимий спектр випромінювання світла, який називається спектром випромінювання.

Атоми, молекули та речовини також мають спектр випромінювання за рахунок випромінювання світла, коли вони поглинають потрібну кількість енергії ззовні для транзиту між двома енергетичними станами. Пропускаючи це світло крізь призму, воно розпадається на спектральні кольорові лінії з різною довжиною хвилі, характерною для кожного елемента.

Важливість спектру викидів полягає в тому, що він дозволяє визначити склад невідомих речовин та астрономічних об'єктів шляхом аналізу їх спектральних ліній за допомогою методів емісійної спектроскопії.

Далі пояснюється, з чого складається спектр викидів та як його інтерпретується, наводяться деякі приклади та відмінності між спектром викидів та поглинання.

Що таке спектр викидів?

Атоми елемента чи речовини мають електрони та протони, які утримуються разом електромагнітною силою притягання. Відповідно до моделі Бора, електрони розташовані таким чином, що енергія атома є найменшою можливою. Цей енергетичний рівень енергії називають основним станом атома.

Коли атоми набувають енергії ззовні, електрони рухаються до більш високого рівня енергії, і атом змінює свій основний стан у збуджений стан.

У збудженому стані час перебування електрона дуже малий (≈ 10-8 с) (1), атом нестабільний і повертається в основний стан, проходячи при необхідності через проміжні рівні енергії.

Малюнок 1. а) Випромінювання фотона внаслідок переходу атома між рівнем енергії збудження та основним енергетичним рівнем. б) випромінювання фотонів через перехід атома між проміжними рівнями енергії.

У процесі переходу із збудженого стану в основний стан атом випромінює фотон світла, енергія якого дорівнює різниці енергії між двома станами, будучи прямо пропорційною частоті та обернено пропорційною її довжині хвилі λ.

Випромінюваний фотон показаний у вигляді яскравої лінії, що називається спектральною лінією (2), а спектральний розподіл енергії колекції випромінюваних фотонів на переходах атома - спектр випромінювання.

Інтерпретація спектру викидів

Деякі переходи атома викликані підвищенням температури або наявністю інших зовнішніх джерел енергії, таких як промінь світла, потік електронів або хімічна реакція.

Якщо такий газ, як водень, поміщають у камеру при низькому тиску і через камеру пропускають електричний струм, то газ буде випромінювати світло власного кольору, що відрізняє його від інших газів.

Пропускаючи випромінюване світло крізь призму, замість отримання веселки світла отримують дискретні одиниці у вигляді кольорових ліній із заданою довжиною хвилі, які несуть дискретні кількості енергії.

Лінії спектру випромінювання є унікальними в кожному елементі, і його використання з методики спектроскопії дозволяє визначити елементний склад невідомої речовини, а також склад астрономічних об'єктів, аналізуючи довжини хвиль випромінюваних фотонів. під час переходу атома.

Різниця між спектром викидів та спектром поглинання.

У процесах поглинання та викиду атом має переходи між двома енергетичними станами, але саме при поглинанні він отримує енергію ззовні та досягає стану збудження.

Спектральна лінія випромінювання протилежна безперервному спектру білого світла. У першому спектральний розподіл спостерігається у вигляді яскравих ліній, а у другому спостерігається суцільна смуга кольорів.

Якщо промінь білого світла потрапляє на такий газ, як водень, укладений у камеру при низькому тиску, то лише частина світла буде поглинена газом, а решта буде передана.

При пропусканні світла через призму він розпадається на спектральні лінії, кожна з різною довжиною хвилі, утворюючи спектр поглинання газу.

Спектр поглинання абсолютно протилежний спектру викидів, він також специфічний для кожного елемента. Порівнюючи обидва спектри одного і того ж елемента, спостерігається, що спектральні лінії випромінювання - це ті, які відсутні у спектрі поглинання (мал. 2).

Малюнок 2. а) Спектр викидів та б) Спектр поглинання (Автор: Stkl. Джерело: https://commons.wikimedia.org/wiki/Main_Page)

Приклади спектрів викидів хімічних елементів

а) Спектральні лінії атома водню у видимій області спектру - це червона лінія 656,3 нм, світло-синя 486,1 нм, темно-синя 434 нм і дуже слабка фіолетова 410 нм. Ці довжини хвилі отримані з рівняння Балмера - Райдберга в його сучасному варіанті (3).

- число хвилі спектральної лінії

- постійна Райдберга (109666,56 см-1)

- це найвищий рівень енергії

- це найвищий рівень енергії

Малюнок 3. Спектр викидів водню (Автор: Adrignola. Джерело: commons.wikimedia.org

б) Спектр випромінювання гелію має дві серії основних ліній: одна у видимій області, а інша поблизу ультрафіолету. Петерсон (4) використовував модель Бора для обчислення ряду ліній випромінювання гелію у видимій частині спектру в результаті декількох одночасних переходів двох електронів у стан n = 5 та отриманих значень довжини хвилі узгоджується з експериментальними результатами. Отримані довжини хвиль - 468,8 нм, 450,1 нм, 426,3 нм, 418,4 нм, 412,2 нм, 371,9 нм.

в) Спектр викидів натрію має дві дуже яскраві лінії 589 нм і 589,6 нм, які називаються лініями D (5). Інші лінії набагато слабкіші за ці, і для практичних цілей вважається, що все світло натрію походить від ліній D.

Список літератури

1. Вимірювання життя збуджених станів атома водню. В. А. Анкудінов, С. В. Бобашев та Е. П. Андрєєв. 1, 1965, Радянська фізика JETP, т. 21, с. 26-32.
2. Demtröder, W. Лазерна спектроскопія 1. Kaiserslautern: Springer, 2014.
3. Д.К.Рай, С. Н. Тхакур та. Атом, лазерна та спектроскопія. Нью-Делі: Навчання фі, 2010.
4. Бор переглянув: Модель таспектральні лінії гелію. Петерсон, C. 5, 2016, Журнал молодих слідчих, т. 30, с. 32-35.
5. Журнал хімічної освіти. JR Appling, FJ Yonke, RA Edgington, S. Jacobs. 3, 1993, т. 70, с. 250-251.