Spektrum emisji - Emission spectrum

Widmo emisji lampy metalohalogenkowej.
Demonstracja linii sodowych D 2 o długości 589 nm (po lewej) i 590 nm D 1 (po prawej) przy użyciu knota ze słoną wodą w płomieniu

Widmo emisyjne z pierwiastka lub związku chemicznego jest widmo częstotliwości od promieniowania elektromagnetycznego emitowanego ze względu na atomem lub cząsteczką dokonywania przejścia z wysokiego stanu energetycznego do mniejszego zużycia energii. Energia fotonu emitowanego fotonu jest równa różnicy energii między dwoma stanami. Istnieje wiele możliwych przejść elektronowych dla każdego atomu, a każde przejście ma określoną różnicę energii. Ten zbiór różnych przejść prowadzących do różnych długości fal promieniowanych tworzy widmo emisyjne. Widmo emisyjne każdego pierwiastka jest unikalne. Dlatego spektroskopię można wykorzystać do identyfikacji pierwiastków w materii o nieznanym składzie. Podobnie widma emisyjne cząsteczek można wykorzystać w analizie chemicznej substancji.

Emisja

W fizyce emisja to proces, w którym cząsteczka o wyższej energii kwantowo-mechanicznej zostaje przekształcona w niższy w wyniku emisji fotonu , co skutkuje wytworzeniem światła . Częstotliwość emitowanego światła jest funkcją energii przejścia.

Ponieważ energia musi być zachowana, różnica energii między dwoma stanami jest równa energii odprowadzonej przez foton. Stany energetyczne przejść mogą prowadzić do emisji w bardzo szerokim zakresie częstotliwości. Na przykład światło widzialne emitowane jest przez sprzężenie stanów elektronowych w atomach i cząsteczkach (wówczas zjawisko to nazywa się fluorescencją lub fosforescencją ). Z drugiej strony, przejścia jądrowe mogą emitować wysokoenergetyczne promienie gamma , podczas gdy przejścia spinowe jądrowe emitują fale radiowe o niskiej energii .

Emitancji obiektu wylicza ile światło jest emitowane przez nią. Może to być związane z innymi własnościami obiektu poprzez prawo Stefana–Boltzmanna . W przypadku większości substancji wielkość emisji zmienia się wraz z temperaturą i składem spektroskopowym obiektu, co prowadzi do pojawienia się temperatury barwowej i linii emisyjnych . Precyzyjne pomiary przy wielu długościach fal umożliwiają identyfikację substancji za pomocą spektroskopii emisyjnej .

Emisja promieniowania jest zwykle opisywana za pomocą półklasycznej mechaniki kwantowej: poziomy energii cząstek i odstępy są określane na podstawie mechaniki kwantowej , a światło jest traktowane jako oscylujące pole elektryczne, które może sterować przejściem, jeśli jest w rezonansie z naturalną częstotliwością systemu. Problem mechaniki kwantowej jest traktowany przy użyciu teorii zaburzeń zależnych od czasu i prowadzi do ogólnego wyniku znanego jako złota reguła Fermiego . Opis ten został zastąpiony przez elektrodynamikę kwantową , chociaż wersja półklasyczna nadal jest bardziej użyteczna w większości praktycznych obliczeń.

Początki

Gdy elektrony w atomie są wzbudzane, na przykład przez podgrzewanie, dodatkowa energia wypycha elektrony na orbitale o wyższej energii. Kiedy elektrony opadają z powrotem i opuszczają stan wzbudzony, energia jest ponownie emitowana w postaci fotonu . Długość fali (lub równoważnie częstotliwość) fotonu jest określona przez różnicę energii między dwoma stanami. Te emitowane fotony tworzą widmo pierwiastka.

Fakt, że tylko niektóre kolory pojawiają się w widmie emisji atomowej pierwiastka, oznacza, że ​​emitowane są tylko określone częstotliwości światła. Każda z tych częstotliwości jest powiązana z energią wzorem:

,

gdzie jest energia fotonu, jest jego częstotliwością i jest stałą Plancka . Wynika z tego, że atom emituje tylko fotony o określonych energiach. Zasada widma emisji atomowej wyjaśnia różne kolory neonów , a także wyniki chemicznego testu płomienia (opisane poniżej).

Częstotliwości światła, które atom może emitować, zależą od stanów, w jakich mogą znajdować się elektrony. Podekscytowany elektron przesuwa się na wyższy poziom energii lub orbitę. Kiedy elektron opada z powrotem na swój poziom, emitowane jest światło.

Widmo emisyjne wodoru

Powyższe zdjęcie przedstawia widmo emisji światła widzialnego dla wodoru . Gdyby obecny był tylko jeden atom wodoru, to w danej chwili zaobserwowano by tylko jedną długość fali. Zaobserwowano kilka możliwych emisji, ponieważ próbka zawiera wiele atomów wodoru, które znajdują się w różnych początkowych stanach energetycznych i osiągają różne końcowe stany energetyczne. Te różne kombinacje prowadzą do równoczesnych emisji na różnych długościach fal.

Widmo emisji żelaza

Promieniowanie z cząsteczek

Oprócz omówionych powyżej przejść elektronowych, energia cząsteczki może również zmieniać się poprzez przejścia rotacyjne , oscylacyjne i wibronowe (połączone wibracyjne i elektronowe). Te przejścia energii często prowadzą do blisko położonych grup wielu różnych linii widmowych , znanych jako pasma widmowe . Nierozdzielone widma pasmowe mogą pojawiać się jako kontinuum widmowe.

Spektroskopia emisyjna

Światło składa się z promieniowania elektromagnetycznego o różnych długościach fal. Dlatego też, gdy elementy lub ich związki są ogrzewane albo płomieniem, albo łukiem elektrycznym, emitują energię w postaci światła. Analiza tego światła za pomocą spektroskopu daje nam widmo nieciągłe. Spektroskop lub spektrometr to przyrząd służący do oddzielania składowych światła o różnych długościach fal. Widmo pojawia się w postaci serii linii zwanych widmem liniowym. To widmo liniowe nazywa się widmem atomowym, gdy pochodzi z atomu w postaci pierwiastkowej. Każdy pierwiastek ma inne widmo atomowe. Wytwarzanie widm liniowych przez atomy pierwiastka wskazuje, że atom może promieniować tylko pewną ilością energii. Prowadzi to do wniosku, że elektrony związane nie mogą mieć dowolnej ilości energii, a jedynie określoną ilość energii.

Widmo emisyjne można wykorzystać do określenia składu materiału, ponieważ jest ono różne dla każdego elementu układu okresowego . Jednym z przykładów jest spektroskopia astronomiczna : identyfikacja składu gwiazd poprzez analizę otrzymanego światła. Charakterystyki widma emisyjnego niektórych pierwiastków są wyraźnie widoczne gołym okiem po podgrzaniu tych pierwiastków. Na przykład, gdy drut platynowy zanurzy się w roztworze azotanu sodu, a następnie włoży do płomienia, atomy sodu emitują bursztynowo-żółty kolor. Podobnie, gdy do płomienia włoży się ind, płomień staje się niebieski. Te określone cechy pozwalają na identyfikację pierwiastków na podstawie ich widma emisji atomowej. Nie wszystkie emitowane światła są dostrzegalne gołym okiem, ponieważ widmo obejmuje również promienie ultrafioletowe i promieniowanie podczerwone. Widmo emisyjne powstaje, gdy wzbudzony gaz jest oglądany bezpośrednio przez spektroskop.

Schemat ideowy emisji spontanicznej

Spektroskopia emisyjna to technika spektroskopowa , która bada długości fal fotonów emitowanych przez atomy lub cząsteczki podczas ich przechodzenia ze stanu wzbudzonego do stanu o niższej energii. Każdy pierwiastek emituje charakterystyczny zestaw dyskretnych długości fal zgodnie ze swoją strukturą elektronową , a obserwując te długości fal można określić skład pierwiastkowy próbki. Spektroskopia emisyjna rozwinięta pod koniec XIX wieku, a wysiłki na rzecz teoretycznego wyjaśnienia widm emisji atomowej doprowadziły ostatecznie do mechaniki kwantowej .

Atomy można doprowadzić do stanu wzbudzonego na wiele sposobów. Oddziaływanie z promieniowaniem elektromagnetycznym jest stosowane w spektroskopii fluorescencyjnej , protonach lub innych cięższych cząstkach w emisji promieniowania rentgenowskiego indukowanego cząstkami oraz elektronach lub fotonach promieniowania rentgenowskiego w spektroskopii rentgenowskiej z dyspersją energii lub fluorescencji rentgenowskiej . Najprostszą metodą jest podgrzanie próbki do wysokiej temperatury, po czym wzbudzenia powstają w wyniku zderzeń między atomami próbki. Metoda ta jest stosowana w spektroskopii emisyjnej płomienia i była to również metoda zastosowana przez Andersa Jonasa Ångströma, kiedy odkrył zjawisko dyskretnych linii emisyjnych w latach pięćdziesiątych XIX wieku.

Chociaż linie emisyjne są spowodowane przejściem między skwantowanymi stanami energetycznymi i mogą na pierwszy rzut oka wyglądać bardzo ostro, mają skończoną szerokość, tj. składają się z więcej niż jednej długości fali światła. To rozszerzenie linii widmowej ma wiele różnych przyczyn.

Spektroskopia emisyjna jest często określana jako optyczna spektroskopia emisyjna ze względu na jasny charakter emitowanego materiału.

Historia

W 1756 Thomas Melvill zaobserwował emisję wyraźnych wzorów kolorów, gdy do płomieni alkoholowych dodano sole . W 1785 James Gregory odkrył zasady siatek dyfrakcyjnych, a amerykański astronom David Rittenhouse stworzył pierwszą skonstruowaną siatkę dyfrakcyjną . W 1821 roku Joseph von Fraunhofer utrwalił ten znaczący eksperymentalny skok polegający na zastąpieniu pryzmatu jako źródła dyspersji długości fali, poprawiając rozdzielczość widmową i pozwalając na ilościowe określenie rozproszonych długości fal.

W 1835 roku Charles Wheatstone poinformował, że różne metale można odróżnić jasnymi liniami w widmach emisyjnych ich iskier , wprowadzając w ten sposób alternatywę dla spektroskopii płomieniowej. W 1849 JBL Foucault wykazał eksperymentalnie, że linie absorpcyjne i emisyjne o tej samej długości fali są spowodowane tym samym materiałem, a różnica między nimi wynika z temperatury źródła światła. W 1853 roku szwedzki fizyk Anders Jonas Ångström przedstawił obserwacje i teorie dotyczące widm gazu. Ångström postulował, że rozżarzony gaz emituje promienie świetlne o tej samej długości fali, co te, które może pochłonąć. W tym samym czasie o podobnych postulatach dyskutowali George Stokes i William Thomson (Kelvin) . Ångström zmierzył również widmo emisyjne wodoru, które później nazwano liniami Balmera . W 1854 i 1855 David Alter opublikował obserwacje widm metali i gazów, w tym niezależną obserwację linii Balmera dla wodoru.

W 1859 Gustav Kirchhoff i Robert Bunsen zauważyli, że kilka linii Fraunhofera (linie w widmie słonecznym) pokrywa się z charakterystycznymi liniami emisji zidentyfikowanymi w widmach nagrzanych pierwiastków. Prawidłowo wydedukowano, że ciemne linie w widmie słonecznym są spowodowane absorpcją pierwiastków chemicznych w atmosferze słonecznej .

Technika eksperymentalna w płomieniowej spektroskopii emisyjnej

Roztwór zawierający odpowiednią substancję do analizy jest wciągany do palnika i rozpraszany w płomieniu jako drobny strumień. Rozpuszczalnik najpierw odparowuje, pozostawiając drobno rozdrobnione cząstki stałe, które przemieszczają się do najgorętszego obszaru płomienia, gdzie powstają gazowe atomy i jony . Tutaj elektrony są wzbudzane, jak opisano powyżej. Powszechnie stosuje się monochromator, aby umożliwić łatwe wykrywanie.

Na prostym poziomie, spektroskopię emisyjną płomienia można zaobserwować używając tylko płomienia i próbek soli metali. Ta metoda analizy jakościowej nazywana jest testem płomieniowym . Na przykład sole sodowe umieszczone w płomieniu będą świecić na żółto od jonów sodu, podczas gdy jony strontu (używane w racach drogowych) zabarwią go na czerwono. Drut miedziany stworzy niebieski płomień, jednak w obecności chlorku daje zielony (wkład molekularny CuCl).

Współczynnik emisji

Współczynnik emisji to współczynnik mocy wyjściowej na jednostkę czasu źródła elektromagnetycznego , wartość obliczona w fizyce . Współczynnik emisji gazu zmienia się wraz z długością fali światła. Posiada jednostki ms -3 sr -1 . Jest również używany jako miara emisji do środowiska (w masie) na MWh wytworzonej energii elektrycznej , patrz: Współczynnik emisji .

Rozpraszanie światła

W rozpraszaniu Thomsona naładowana cząstka emituje promieniowanie pod wpływem padającego światła. Cząstka może być zwykłym elektronem atomowym, więc współczynniki emisji mają praktyczne zastosowanie.

Jeżeli X d V dΩ dλ jest energią rozproszoną przez element objętości d V w kącie bryłowym dΩ między długościami fal λ i λ + dλ w jednostce czasu, to współczynnik emisji wynosi X .

Wartości X w rozpraszaniu Thomsona można przewidzieć na podstawie strumienia padającego, gęstości naładowanych cząstek i ich różnicowego przekroju Thomsona (powierzchnia/kąt bryłowy).

Spontaniczna emisja

Ciepłe ciało emitujące fotony ma monochromatyczny współczynnik emisji związany z jego temperaturą i całkowitą mocą promieniowania. Nazywa się to czasem drugim współczynnikiem Einsteina i można go wyprowadzić z teorii mechaniki kwantowej .

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki