VAD ÄR UTSLÄPPSSPEKTRUMET? (MED EXEMPEL) - FYSISK - 2024

Det emissionsspektrum är det spektrum av våglängder av ljus som avges av atomer och molekyler när man gör en övergång mellan två energitillstånd. Vitt ljus eller synligt ljus som slår ett prisma bryts ned i olika färger med specifika våglängder för varje färg. Mönstret för färger som erhålls är det synliga strålningsspektret av ljus som kallas emissionsspektrum.

Atomer, molekyler och ämnen har också ett emissionsspektrum på grund av ljusutsläpp när de absorberar lämplig mängd energi från utsidan för att transportera mellan två energitillstånd. Genom att leda detta ljus genom ett prisma bryts det ned i spektralfärgade linjer med olika våglängder som är specifika för varje element.

Betydelsen av utsläppsspektrumet är att det gör det möjligt att bestämma sammansättningen av okända ämnen och astronomiska föremål genom analys av deras spektrallinjer med hjälp av emissionspektroskopitekniker.

Därefter förklaras vad utsläppsspektrumet består av och hur det tolkas, några exempel nämns och skillnaderna mellan emission- och absorptionsspektrum.

Vad är ett utsläppspektrum?

Atomen i ett element eller ett ämne har elektroner och protoner som hålls samman av den elektromagnetiska dragkraften. Enligt Bohr-modellen är elektronerna anordnade på ett sådant sätt att atomens energi är den lägsta möjliga. Denna energinivå kallas atomens marktillstånd.

När atomerna skaffar energi från utsidan rör sig elektronerna mot en högre energinivå och atomen ändrar sitt marktillstånd till ett upphetsat tillstånd.

I det upphetsade tillståndet är elektronens uppehållstid mycket liten (≈ 10-8 s) (1), atomen är instabil och återgår till marktillståndet och passar om nödvändigt genom mellanliggande energinivåer.

Figur 1. a) Utsläpp av en foton på grund av atomens övergång mellan excitationsenerginivån och den grundläggande energinivån. b) emission av fotoner på grund av atomens övergång mellan mellanliggande energinivåer.

Vid övergången från ett upphetsat tillstånd till ett marktillstånd avger atomen en foton av ljus med energi lika med skillnaden i energi mellan de två tillstånden, som är direkt proportionell mot frekvensen och omvänt proportionell mot dess våglängd λ.

Den emitterade fotonen visas som en ljus linje, kallad den spektrala linjen (2), och den spektrala energifördelningen för samlingen av utsläppta fotoner vid atomens övergångar är emissionsspektrumet.

Tolkning av utsläppsspektrum

Vissa av atomens övergångar orsakas av en ökning av temperaturen eller av närvaron av andra externa energikällor, t.ex. en ljusstråle, en ström av elektroner eller en kemisk reaktion.

Om en gas som väte placeras i en kammare vid lågt tryck och en elektrisk ström passeras genom kammaren, kommer gasen att avge ljus med sin egen färg som skiljer den från andra gaser.

Genom att leda det emitterade ljuset genom ett prisma, i stället för att få en regnbåge med ljus, erhålls diskreta enheter i form av färgade linjer med specifika våglängder, som bär separata mängder energi.

Linjerna för emissionsspektrumet är unika i varje element och dess användning från spektroskopitekniken gör det möjligt att bestämma elementkompositionen för ett okänt ämne såväl som sammansättningen av astronomiska objekt genom att analysera våglängderna för de utsända fotonerna. under övergången till atomen.

Skillnad mellan emisspektrum och absorptionsspektrum.

I absorptions- och emissionsprocesser har atomen övergångar mellan två energitillstånd men det är i absorptionen att den får energi från utsidan och når tillståndet av excitation.

Den spektrala utsläppslinjen är motsatt till det kontinuerliga spektrumet av vitt ljus. I det första observeras den spektrala fördelningen i form av ljusa linjer och i den andra observeras ett kontinuerligt färgband.

Om en stråle med vitt ljus träffar en gas som väte, innesluten i en kammare vid lågt tryck, kommer bara en del av ljuset att absorberas av gasen och resten överförs.

När överfört ljus passerar genom ett prisma bryts det ner i spektrallinjer, var och en med en annan våglängd, vilket bildar gasens absorptionsspektrum.

Absorptionsspektrumet är helt motsatt av emissionsspektrumet och det är också specifikt för varje element. Vid jämförelse av båda spektra för samma element observeras det att emissionsspektrallinjerna är de som saknas i absorptionsspektrumet (figur 2).

Bild 2. a) Emissionsspektrum och b) Absorptionsspektrum (Författare: Stkl. Källa: https://commons.wikimedia.org/wiki/Main_Page)

Exempel på utsläppsspektra för kemiska element

a) Spektrallinjerna för väteatomen, i det synliga området i spektrumet, är en röd linje på 656,3 nm, en ljusblå av 486,1 nm, en mörkblå av 434 nm och en mycket svag violet på 410 nm. Dessa våglängder erhålls från Balmer - Rydberg-ekvationen i sin moderna version (3).

är vågnumret för den spektrala linjen

är Rydbergs konstant (109666,56 cm-1)

är den högsta energinivån

är den högsta energinivån

Bild 3. Utsläppsspektrum för väte (Författare: Adrignola. Källa: commons.wikimedia.org

b) Heliums emisspektrum har två serier av huvudlinjer, en i det synliga området och det andra nära ultraviolett. Peterson (4) använde Bohr-modellen för att beräkna en serie heliumutsläppslinjer i den synliga delen av spektrumet, som ett resultat av flera samtidiga övergångar av två elektroner till n = 5-tillståndet, och erhöll värden på våglängden överensstämmer med experimentella resultat. Våglängderna som erhölls är 468,8 nm, 450,1 nm, 426,3 nm, 418,4 nm, 412,2 nm, 371,9 nm.

c) Emissionsspektrumet av natrium har två mycket ljusa linjer 589nm och 589.6nm kallade D-linjer (5). De andra linjerna är mycket svagare än dessa och för praktiska ändamål anses allt natriumljus komma från D-linjerna.

referenser

1. Mätning av livstider för väteatomen. VA Ankudinov, SV Bobashev och EP Andreev. 1, 1965, Soviet Physics JETP, Vol. 21, pp. 26-32.
2. Demtröder, W. Laserspektroskopi 1. Kaiserslautern: Springer, 2014.
3. DKRai, SN Thakur och. Atom, laser och spektroskopi. New Delhi: Phi Learning, 2010.
4. Bohr Revisited: Model andespectral lines of helium. Peterson, C. 5, 2016, Journal of young investigators, Vol. 30, pp. 32-35.
5. Journal of Chemical Education. JR Appling, FJ Yonke, RA Edgington och S. Jacobs. 3, 1993, vol 70, sid. 250-251.