Linia widmowa - Spectral line

Widmo ciągłe
Widmo ciągłe
Linie absorpcyjne
Linie absorpcyjne (widmo dyskretne)
Linie absorpcyjne powietrza, przy oświetleniu pośrednim, przy niewidocznym bezpośrednim źródle światła, tak aby gaz nie znajdował się bezpośrednio między źródłem a detektorem. Tutaj „źródłem” są linie Fraunhofera w świetle słonecznym i rozpraszanie Rayleigha tego światła. Jest to widmo błękitnego nieba nieco blisko horyzontu, skierowane na wschód około godziny 15 lub 16 (tj. Słońce w kierunku zachodnim) w pogodny dzień.

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

Widmo ciągłe lampy żarowej (środek) i dyskretne linie widma lampy fluorescencyjnej (na dole)

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 Widmo wodoru widoczne.png
hel 2 On Widmo helu widoczne.png
lit 3 Li Widmo litu widoczne.png
beryl 4 Być Widmo berylu widoczne.png
bor 5 b Widmo boru widoczne.png
węgiel 6 C Widmo węgla widoczne.png
azot 7 n Widmo azotu widoczne.png
tlen 8 O Widmo tlenu widoczne.png
fluor 9 F Widmo fluoru widoczne.png
neon 10 Ne Widoczne widmo neonu.png
sód 11 Na Widmo sodu widoczne.png
magnez 12 Mg Widmo magnezu widoczne.png
aluminium 13 Glin Widmo aluminium widoczne.png
krzem 14 Si Widmo krzemu widoczne.png
fosfor 15 P Widmo fosforu widoczne.png
siarka 16 S Widmo siarki widoczne.png
chlor 17 Cl Widmo chloru widoczne.png
argon 18 Ar Widoczne widmo argonu.png
potas 19 K Widmo potasu widoczne.png
wapń 20 Ca Widmo wapnia widoczne.png
skand 21 Sc Widmo skandu widoczne.png
tytan 22 Ti Widmo tytanu widoczne.png
wanad 23 V Widmo wanadu widoczne.png
chrom 24 Cr Widmo chromu widoczne.png
mangan 25 Mn Widmo manganu widoczne.png
żelazo 26 Fe Widmo żelaza widoczne.png
kobalt 27 Współ Widmo kobaltu widoczne.png
nikiel 28 Ni Widmo niklu widoczne.png
Miedź 29 Cu Widmo miedzi widoczne.png
cynk 30 Zn Widmo cynku widoczne.png
gal 31 Ga Widmo galu widoczne.png
german 32 Ge Widmo germanu widoczne.png
arsen 33 Jak Widmo arsenu widoczne.png
selen 34 Se Widmo selenu widoczne.png
brom 35 Br Widmo bromu widoczne.png
krypton 36 Kr Widmo kryptonu widoczne.png
rubid 37 Rb Widmo rubidu widoczne.png
stront 38 Sr Widmo strontu widoczne.png
itr 39 Tak Widmo itru widoczne.png
cyrkon 40 Zr Widmo cyrkonu widoczne.png
niobu 41 Nb Widmo niobu widoczne.png
molibden 42 Mo Widmo molibdenu widoczne.png
technet 43 Tc Widmo technetu widoczne.png
ruten 44 Ru Widmo rutenu widoczne.png
rod 45 Rh Widmo rodu widoczne.png
paladium 46 Pd Widmo palladu widoczne.png
srebro 47 Ag Widmo srebra widoczne.png
kadm 48 Płyta CD Widmo kadmu widoczne.png
ind 49 w Widmo indu widoczne.png
cyna 50 Sn Widmo cyny widoczne.png
antymon 51 Sb Widmo antymonu widoczne.png
tellur 52 Te Widmo telluru widoczne.png
jod 53 i Widmo jodu widoczne.png
ksenon 54 Xe Widmo ksenonowe widoczne.png
cez 55 Cs Widmo cezu widoczne.png
bar 56 Ba Widmo baru widoczne.png
lantan 57 La Widmo lantanu widoczne.png
cer 58 Ce Widmo ceru widoczne.png
prazeodym 59 Pr Widmo prazeodymu widoczne.png
neodym 60 NS Widmo neodymu widoczne.png
promet 61 Po południu Widmo prometu widoczne.png
samar 62 Sm Widmo samarowe widoczne.png
europ 63 Eu Widmo europu widoczne.png
gadolin 64 Bóg Widmo gadolinu widoczne.png
terb 65 Tb Widmo terbu widoczne.png
dysproz 66 Dy Widoczne widmo dysprozu.png
holmium 67 Ho Widmo holmu widoczne.png
erb 68 Er Widmo erbu widoczne.png
tul 69 Tm Widmo tolu widoczne.png
iterb 70 Yb Widmo iterbu widoczne.png
lutet 71 Lu Widmo lutetu widoczne.png
hafn 72 Hf Widmo hafnu widoczne.png
tantal 73 Ta Widmo tantalu widoczne.png
wolfram 74 W Widmo wolframu widoczne.png
ren 75 Odnośnie Widmo renu widoczne.png
osm 76 Os Widmo osmu widoczne.png
iryd 77 Ir Widmo irydu widoczne.png
platyna 78 Pt Widmo platyny widoczne.png
złoto 79 Au Widmo złota widoczne.png
tal 81 Tl Widmo talu widoczne.png
ołów 82 Pb Widmo ołowiu widoczne.png
bizmut 83 Bi Widmo bizmutu widoczne.png
polon 84 Po Widmo polonu widoczne.png
radon 86 Rn Widmo radonu widoczne.png
rad 88 Ra Widmo radu widoczne.png
aktyn 89 Ac Widmo aktynu widoczne.png
tor 90 NS Widmo toru widoczne.png
protaktyn 91 Rocznie Widmo protaktynu widoczne.png
uran 92 U Widmo uranu widoczne.png
neptun 93 Np Widmo Neptuna widoczne.png
pluton 94 Pu Widmo plutonu widoczne.png
ameryk 95 Jestem Widmo americium widoczne.png
kiur 96 Cm Widmo kiuru widoczne.png
berkel 97 Bk Widmo berkelu widoczne.png
kaliforn 98 cf Widmo kalifornijskie widoczne.png
einsteina 99 Es Widmo Einsteinium widoczne.png

Zobacz też

Uwagi

Bibliografia

Dalsza lektura