Linia widmowa - Spectral line
Widmowe jest linia ciemne lub jasne w inny sposób jednolity i ciągły widma , wynikające z emisji lub absorpcji w świetle w wąskim zakresie częstotliwości w porównaniu z sąsiednich częstotliwości. Linie widmowe są często używane do identyfikacji atomów i cząsteczek . Te „odciski palców” można porównać do wcześniej zebranych „odcisków palców” atomów i molekuł, a tym samym służą do identyfikacji atomowych i molekularnych składników gwiazd i planet , co w innym przypadku byłoby niemożliwe.
Rodzaje widm liniowych
Linie widmowe są wynikiem oddziaływania układu kwantowego (najczęściej atomów , ale czasem cząsteczek lub jąder atomowych ) z pojedynczym fotonem . Gdy foton ma w przybliżeniu odpowiednią ilość energii (która jest powiązana z jego częstotliwością), aby umożliwić zmianę stanu energetycznego układu (w przypadku atomu jest to zwykle elektron zmieniający się orbitale ), foton jest absorbowany. Następnie zostanie spontanicznie ponownie wyemitowany, albo z tą samą częstotliwością co pierwotna, albo w kaskadzie, gdzie suma energii wyemitowanych fotonów będzie równa energii fotonów pochłoniętych (przy założeniu, że układ powróci do stanu pierwotnego stan).
Linia widmowa może być obserwowana jako linia emisyjna lub linia absorpcyjna . Rodzaj obserwowanej linii zależy od rodzaju materiału i jego temperatury względem innego źródła emisji. Linia absorpcyjna powstaje, gdy fotony z gorącego źródła o szerokim spektrum przechodzą przez zimny materiał. Natężenie światła w wąskim zakresie częstotliwości jest redukowane dzięki absorpcji przez materiał i reemisji w przypadkowych kierunkach. Natomiast jasna linia emisyjna powstaje, gdy fotony z gorącego materiału są wykrywane w obecności szerokiego widma z zimnego źródła. Natężenie światła, w wąskim zakresie częstotliwości, jest zwiększone dzięki emisji przez materiał.
Linie widmowe są wysoce specyficzne dla atomów i mogą być używane do identyfikacji składu chemicznego dowolnego ośrodka zdolnego do przepuszczania światła. Kilka pierwiastków odkryto metodami spektroskopowymi, w tym hel , tal i cez . Linie widmowe zależą również od fizycznych warunków gazu, dlatego są szeroko stosowane do określania składu chemicznego gwiazd i innych ciał niebieskich, których nie można zanalizować innymi sposobami, a także ich warunków fizycznych.
Mechanizmy inne niż oddziaływanie atom-foton mogą wytwarzać linie widmowe. W zależności od dokładnej interakcji fizycznej (z cząsteczkami, pojedynczymi cząsteczkami itp.), częstotliwość zaangażowanych fotonów będzie się znacznie różnić, a linie mogą być obserwowane w całym widmie elektromagnetycznym , od fal radiowych po promienie gamma .
Nomenklatura
Silne linie widmowe w widzialnej części widma często mają unikalne oznaczenie linii Fraunhofera , takie jak K dla linii przy 393,366 nm wyłaniającej się z pojedynczo zjonizowanego Ca + , chociaż niektóre „linie” Fraunhofera są mieszanką wielu linii z kilku różne gatunki . W innych przypadkach linie są oznaczane zgodnie z poziomem jonizacji , dodając cyfrę rzymską do oznaczenia pierwiastka chemicznego . Atomy obojętne są oznaczone cyfrą rzymską I, atomy pojedynczo zjonizowane przez II itd., tak że np. Fe IX reprezentuje ośmiokrotnie zjonizowane żelazo .
Bardziej szczegółowe oznaczenia zwykle obejmują długość fali linii i mogą zawierać liczbę multipletów (dla linii atomowych) lub oznaczenie pasma (dla linii molekularnych). Wiele linii spektralnych wodoru atomowego ma również oznaczenia w ramach odpowiednich serii , takich jak seria Lymana lub seria Balmera . Początkowo wszystkie linie widmowe zostały zakwalifikowane do serii: Principal serii , serii Ostre i serii rozlane . Szeregi te istnieją w atomach wszystkich pierwiastków, a wzory dla wszystkich atomów są dobrze przewidywane przez wzór Rydberga-Ritza . Te serie były później związane z suborbitalami.
Poszerzenie i przesunięcie linii
Istnieje szereg efektów, które kontrolują kształt linii widmowej . Linia widmowa rozciąga się na zakres częstotliwości, a nie na pojedynczą częstotliwość (tj. ma niezerową szerokość linii). Ponadto jego środek może być przesunięty w stosunku do jego nominalnej centralnej długości fali. Istnieje kilka przyczyn tego rozszerzenia i zmiany. Przyczyny te można podzielić na dwie ogólne kategorie – poszerzenie ze względu na uwarunkowania lokalne oraz poszerzenie ze względu na uwarunkowania rozszerzone. Rozszerzenie spowodowane warunkami lokalnymi jest spowodowane efektami, które występują w małym obszarze wokół elementu emitującego, zwykle wystarczająco małym, aby zapewnić lokalną równowagę termodynamiczną . Rozszerzenie ze względu na rozszerzone warunki może wynikać ze zmian rozkładu widmowego promieniowania, gdy przemierza ono swoją drogę do obserwatora. Może również wynikać z połączenia promieniowania z wielu regionów, które są od siebie oddalone.
Poszerzenie ze względu na efekty lokalne
Naturalne poszerzenie
Czas życia stanów wzbudzonych powoduje naturalne poszerzenie, zwane również poszerzeniem czasu życia. Zasada nieoznaczoności wiąże czas życia stanu wzbudzonego (na skutek spontanicznego rozpadu radiacyjnego lub procesu Augera ) z niepewnością jego energii. Niektórzy autorzy używają terminu „poszerzenie promieniste”, aby odnieść się konkretnie do części naturalnego poszerzenia spowodowanego spontanicznym rozpadem radiacyjnym. Krótki czas życia będzie wiązał się z dużą niepewnością energetyczną i szeroką emisją. Ten efekt poszerzenia skutkuje niezmienionym profilem Lorentzowskim . Naturalne poszerzenie można eksperymentalnie zmienić tylko w takim zakresie, w jakim można sztucznie stłumić lub wzmocnić tempo rozpadu.
Rozszerzenie termicznego Dopplera
Atomy w gazie, które emitują promieniowanie, będą miały rozkład prędkości. Każdy wyemitowany foton będzie „czerwony” lub „niebieski” przesunięty przez efekt Dopplera w zależności od prędkości atomu względem obserwatora. Im wyższa temperatura gazu, tym szerszy rozkład prędkości w gazie. Ponieważ linia widmowa jest kombinacją całego emitowanego promieniowania, im wyższa temperatura gazu, tym szersza linia widmowa emitowana z tego gazu. Ten efekt poszerzenia jest opisany przez profil Gaussa i nie ma związanego z nim przesunięcia.
Rozszerzenie ciśnienia
Obecność pobliskich cząstek wpłynie na promieniowanie emitowane przez pojedynczą cząsteczkę. Istnieją dwa graniczne przypadki, w których tak się dzieje:
- Poszerzenie ciśnienia uderzenia lub poszerzenie kolizyjne : zderzenie innych cząstek z cząstką emitującą światło przerywa proces emisji, a skracając charakterystyczny czas procesu, zwiększa niepewność emitowanej energii (jak ma to miejsce w przypadku naturalnego poszerzenia). Czas trwania zderzenia jest znacznie krótszy niż czas życia procesu emisji. Efekt ten zależy zarówno od gęstości, jak i temperatury gazu. Efekt poszerzenia jest opisany przez profil Lorentza i może być związana z nim zmiana.
- Quasistatyczne poszerzenie ciśnienia : Obecność innych cząstek przesuwa poziomy energii w emitującej cząstce, zmieniając w ten sposób częstotliwość emitowanego promieniowania. Czas trwania oddziaływania jest znacznie dłuższy niż czas życia procesu emisji. Efekt ten zależy od gęstości gazu, ale jest raczej niewrażliwy na temperaturę . Kształt profilu linii jest określony przez funkcjonalną postać siły zakłócającej w odniesieniu do odległości od zakłócającej cząstki. Może również wystąpić przesunięcie środka linii. Ogólnym wyrażeniem na kształt linii wynikający z poszerzenia ciśnienia quasistatycznego jest czteroparametrowe uogólnienie rozkładu Gaussa znanego jako rozkład stabilny .
Rozszerzenie ciśnienia można również sklasyfikować ze względu na charakter siły zakłócającej w następujący sposób:
- Linearne poszerzenie Starka zachodzi poprzez liniowy efekt Starka , który wynika z oddziaływania emitera z polem elektrycznym naładowanej cząstki na odległość , powodując przesunięcie energii, które jest liniowe w natężeniu pola.
- Poszerzenie rezonansu występuje, gdy zakłócająca cząstka jest tego samego typu co emitująca, co wprowadza możliwość procesu wymiany energii.
- Kwadratowe poszerzenie Starka następuje poprzez kwadratowy efekt Starka , który wynika z interakcji emitera z polem elektrycznym, powodując zmianę energii, która jest kwadratowa w sile pola.
- Poszerzenie Van der Waalsa występuje, gdy emitująca cząstka jest zakłócana przez siły Van der Waalsa . W przypadku quasistatycznym profil Van der Waalsa jest często przydatny do opisu profilu. Przesunięcie energii w funkcji odległości podane jest w skrzydłach np. przez potencjał Lennarda-Jonesa .
Niejednorodne poszerzenie
Niejednorodne poszerzenie to ogólny termin na poszerzenie, ponieważ niektóre emitujące cząstki znajdują się w innym lokalnym środowisku niż inne, a zatem emitują z inną częstotliwością. Termin ten jest używany zwłaszcza w odniesieniu do ciał stałych, gdzie powierzchnie, granice ziaren i zmiany stechiometrii mogą tworzyć różnorodne lokalne środowiska dla danego atomu. W cieczach skutki niejednorodnego poszerzenia są czasami redukowane przez proces zwany zwężeniem ruchu .
Rozszerzenie ze względu na efekty nielokalne
Pewne typy poszerzenia są wynikiem warunków panujących w dużym obszarze przestrzeni, a nie tylko warunków lokalnych dla emitującej cząstki.
Poszerzenie krycia
Promieniowanie elektromagnetyczne emitowane w określonym punkcie przestrzeni może zostać ponownie pochłonięte podczas podróży w przestrzeni. Ta absorpcja zależy od długości fali. Linia jest poszerzona, ponieważ fotony w centrum linii mają większe prawdopodobieństwo reabsorpcji niż fotony na skrzydłach linii. Rzeczywiście, reabsorpcja w pobliżu środka linii może być tak duża, że spowoduje samoodwrócenie, w którym intensywność w środku linii jest mniejsza niż w skrzydłach. Ten proces jest również czasami nazywany samopochłanianiem .
Poszerzanie makroskopowe Dopplera
Promieniowanie emitowane przez poruszające się źródło podlega przesunięciu Dopplera ze względu na skończoną projekcję prędkości w linii wzroku. Jeżeli różne części ciała emitującego mają różne prędkości (wzdłuż linii wzroku), wynikowa linia zostanie poszerzona o szerokość proporcjonalną do szerokości rozkładu prędkości. Na przykład promieniowanie emitowane z odległego wirującego ciała, takiego jak gwiazda , zostanie poszerzone z powodu zmian prędkości w linii widzenia po przeciwnych stronach gwiazdy. Im większa prędkość rotacji, tym szersza linia. Innym przykładem jest implodująca powłoka plazmowa w skurczu-Z .
Połączone efekty
Każdy z tych mechanizmów może działać w izolacji lub w połączeniu z innymi. Zakładając, że każdy efekt jest niezależny, obserwowany profil linii jest splotem profili linii każdego mechanizmu. Na przykład połączenie poszerzenia termicznego Dopplera i poszerzenia ciśnienia uderzeniowego daje profil Voigta .
Jednak różne mechanizmy poszerzania linii nie zawsze są niezależne. Na przykład efekty kolizyjne i ruchowe przesunięcia Dopplera mogą działać w spójny sposób, powodując w pewnych warunkach nawet kolizyjne zwężenie , znane jako efekt Dicke'a .
Linie widmowe pierwiastków chemicznych
Zespoły
Wyrażenie „linie widmowe”, jeśli nie jest określone, zwykle odnosi się do linii o długości fali w widzialnym paśmie pełnego widma elektromagnetycznego . Wiele linii widmowych występuje przy długościach fal poza tym zakresem. Krótszych długości fal, które odnoszą się do większej energii, ultrafioletowe linii widmowych zawierają szereg Lyman z wodorem . Przy znacznie krótszych długościach fali promieniowania rentgenowskiego linie są znane jako charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie, ponieważ pozostają one w dużej mierze niezmienione dla danego pierwiastka chemicznego, niezależnie od jego środowiska chemicznego. Dłuższe fale odpowiadają niższym energiom, gdzie linie widmowe w podczerwieni obejmują serię wodoru Paschena . Przy jeszcze większych długościach fal widmo radiowe obejmuje 21-centymetrową linię wykorzystywaną do wykrywania neutralnego wodoru w kosmosie .
Widzialne światło
Dla każdego pierwiastka poniższa tabela pokazuje linie widmowe, które pojawiają się w widmie widzialnym przy około 400-700 nm.
Element | Z | Symbol | Linie widmowe | |
---|---|---|---|---|
wodór | 1 | h | ||
hel | 2 | On | ||
lit | 3 | Li | ||
beryl | 4 | Być | ||
bor | 5 | b | ||
węgiel | 6 | C | ||
azot | 7 | n | ||
tlen | 8 | O | ||
fluor | 9 | F | ||
neon | 10 | Ne | ||
sód | 11 | Na | ||
magnez | 12 | Mg | ||
aluminium | 13 | Glin | ||
krzem | 14 | Si | ||
fosfor | 15 | P | ||
siarka | 16 | S | ||
chlor | 17 | Cl | ||
argon | 18 | Ar | ||
potas | 19 | K | ||
wapń | 20 | Ca | ||
skand | 21 | Sc | ||
tytan | 22 | Ti | ||
wanad | 23 | V | ||
chrom | 24 | Cr | ||
mangan | 25 | Mn | ||
żelazo | 26 | Fe | ||
kobalt | 27 | Współ | ||
nikiel | 28 | Ni | ||
Miedź | 29 | Cu | ||
cynk | 30 | Zn | ||
gal | 31 | Ga | ||
german | 32 | Ge | ||
arsen | 33 | Jak | ||
selen | 34 | Se | ||
brom | 35 | Br | ||
krypton | 36 | Kr | ||
rubid | 37 | Rb | ||
stront | 38 | Sr | ||
itr | 39 | Tak | ||
cyrkon | 40 | Zr | ||
niobu | 41 | Nb | ||
molibden | 42 | Mo | ||
technet | 43 | Tc | ||
ruten | 44 | Ru | ||
rod | 45 | Rh | ||
paladium | 46 | Pd | ||
srebro | 47 | Ag | ||
kadm | 48 | Płyta CD | ||
ind | 49 | w | ||
cyna | 50 | Sn | ||
antymon | 51 | Sb | ||
tellur | 52 | Te | ||
jod | 53 | i | ||
ksenon | 54 | Xe | ||
cez | 55 | Cs | ||
bar | 56 | Ba | ||
lantan | 57 | La | ||
cer | 58 | Ce | ||
prazeodym | 59 | Pr | ||
neodym | 60 | NS | ||
promet | 61 | Po południu | ||
samar | 62 | Sm | ||
europ | 63 | Eu | ||
gadolin | 64 | Bóg | ||
terb | 65 | Tb | ||
dysproz | 66 | Dy | ||
holmium | 67 | Ho | ||
erb | 68 | Er | ||
tul | 69 | Tm | ||
iterb | 70 | Yb | ||
lutet | 71 | Lu | ||
hafn | 72 | Hf | ||
tantal | 73 | Ta | ||
wolfram | 74 | W | ||
ren | 75 | Odnośnie | ||
osm | 76 | Os | ||
iryd | 77 | Ir | ||
platyna | 78 | Pt | ||
złoto | 79 | Au | ||
tal | 81 | Tl | ||
ołów | 82 | Pb | ||
bizmut | 83 | Bi | ||
polon | 84 | Po | ||
radon | 86 | Rn | ||
rad | 88 | Ra | ||
aktyn | 89 | Ac | ||
tor | 90 | NS | ||
protaktyn | 91 | Rocznie | ||
uran | 92 | U | ||
neptun | 93 | Np | ||
pluton | 94 | Pu | ||
ameryk | 95 | Jestem | ||
kiur | 96 | Cm | ||
berkel | 97 | Bk | ||
kaliforn | 98 | cf | ||
einsteina | 99 | Es |
Zobacz też
- Widmo absorpcji
- Atomowa linia widmowa
- Model Bohra
- Konfiguracja elektronów
- Spektrum emisji
- Transformata Fouriera
- Linia Fraunhofera
- Tabela widm emisyjnych lamp wyładowczych
- Linia wodorowa ( linia 21 cm)
- Szeregi widmowe wodoru
- Spektroskopia
- Splatalogue
Uwagi
Bibliografia
Dalsza lektura
- Griem, Hans R. (1997). Zasady spektroskopii plazmowej . Cambridge: Wydawnictwo Uniwersyteckie. Numer ISBN 0-521-45504-9.
- Griem, Hans R. (1974). Poszerzanie linii widmowej przez plazmę . Nowy Jork: Prasa akademicka . Numer ISBN 0-12-302850-7.
- Griem, Hans R. (1964). Spektroskopia plazmowa . Nowy Jork: McGraw-Hill książka Company.