Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Спектр излучения металлогалогенной лампы.
Демонстрация 589 нм D 2 (слева) и 590 нм D 1 (справа) линии D натрия с использованием излучения фитиль с соленой водой в пламени

Спектр излучения из химического элемента или химического соединения является спектром частот от электромагнитного излучения , испускаемого в связи с атомом или молекулой , сделать переход от высокого энергетического состояния в более низкое энергетическое состояние. Энергия фотона испускаемого фотона равна разности энергий между этими двумя состояниями. Для каждого атома существует множество возможных электронных переходов, и каждый переход имеет определенную разницу в энергии. Это набор различных переходов, приводящих к разным длинам волн излучения., составляют спектр излучения. Спектр излучения каждого элемента уникален. Таким образом, спектроскопия может использоваться для идентификации элементов неизвестного состава. Точно так же спектры излучения молекул можно использовать при химическом анализе веществ.

Эмиссия [ править ]

В физике излучение - это процесс, с помощью которого квантово-механическое состояние частицы с более высокой энергией преобразуется в состояние с более низкой энергией посредством излучения фотона , что приводит к образованию света . Частота излучаемого света зависит от энергии перехода.

Поскольку энергия должна быть сохранена, разница в энергии между двумя состояниями равна энергии, уносимой фотоном. Энергетические состояния переходов могут приводить к излучению в очень большом диапазоне частот. Например, видимый свет излучается за счет связи электронных состояний в атомах и молекулах (тогда это явление называется флуоресценцией или фосфоресценцией ). С другой стороны, ядерные оболочечные переходы могут излучать гамма-лучи высокой энергии , в то время как ядерные спиновые переходы излучают низкоэнергетические радиоволны .

Излучательная объекта квантифицирует сколько света излучается им. Это может быть связано с другими свойствами объекта через закон Стефана – Больцмана . Для большинства веществ количество излучения зависит от температуры и спектрального состава объекта, что приводит к появлению цветовой температуры и линий излучения . Точные измерения на многих длинах волн позволяют идентифицировать вещество с помощью эмиссионной спектроскопии .

Излучение излучения обычно описывается с использованием полуклассической квантовой механики: уровни энергии и расстояния между частицами определяются из квантовой механики , а свет рассматривается как колеблющееся электрическое поле, которое может управлять переходом, если оно находится в резонансе с собственной частотой системы. Проблема квантовой механики рассматривается с использованием теории возмущений, зависящих от времени, и приводит к общему результату, известному как золотое правило Ферми . Описание было заменено квантовой электродинамикой , хотя полуклассическая версия продолжает быть более полезной в большинстве практических вычислений.

Истоки [ править ]

Когда электроны в атоме возбуждаются, например, при нагревании, дополнительная энергия толкает электроны на более высокие энергетические орбитали. Когда электроны падают вниз и покидают возбужденное состояние, энергия переизлучается в виде фотона . Длина волны (или, что то же самое, частота) фотона определяется разницей в энергии между двумя состояниями. Эти испускаемые фотоны образуют спектр элемента.

Тот факт, что в спектре излучения атомов элемента появляются только определенные цвета, означает, что излучаются только определенные частоты света. Каждая из этих частот связана с энергией по формуле:

,

где - энергия фотона, - его частота , - постоянная Планка . Отсюда следует вывод, что атомом излучаются только фотоны с определенной энергией. Принцип атомно-эмиссионного спектра объясняет различные цвета неоновых вывесок , а также результаты испытаний химического пламени (описанные ниже).

Частоты света, которые может излучать атом, зависят от состояний, в которых могут находиться электроны. При возбуждении электрон перемещается на более высокий энергетический уровень или орбиталь. Когда электрон падает на свой основной уровень, излучается свет.

Спектр излучения водорода

На приведенном выше рисунке показан спектр излучения водорода в видимой области спектра . Если бы присутствовал только один атом водорода, то в данный момент наблюдалась бы только одна длина волны. Наблюдается несколько возможных выбросов, потому что образец содержит много атомов водорода, которые находятся в разных начальных энергетических состояниях и достигают разных конечных энергетических состояний. Эти разные комбинации приводят к одновременному излучению на разных длинах волн.

Спектр излучения железа

Излучение от молекул [ править ]

Помимо электронных переходов, рассмотренных выше, энергия молекулы также может изменяться посредством вращательных , колебательных и электронно- колебательных (комбинированных колебательных и электронных) переходов. Эти энергетические переходы часто приводят к близкорасположенным группам из множества различных спектральных линий , известных как спектральные полосы . Неразрешенные полосовые спектры могут выглядеть как спектральный континуум.

Эмиссионная спектроскопия [ править ]

Свет состоит из электромагнитного излучения разной длины волны. Следовательно, когда элементы или их соединения нагреваются пламенем или электрической дугой, они излучают энергию в виде света. Анализ этого света с помощью спектроскопадает нам прерывистый спектр. Спектроскоп или спектрометр - это инструмент, который используется для разделения компонентов света с разными длинами волн. Спектр представляет собой серию линий, называемых линейчатым спектром. Этот линейчатый спектр называется атомным спектром, когда он происходит от атома в элементарной форме. Каждый элемент имеет свой атомный спектр. Создание линейчатых спектров атомами элемента указывает на то, что атом может излучать только определенное количество энергии. Это приводит к выводу, что связанные электроны не могут иметь любое количество энергии, а только определенное количество энергии.

Спектр излучения может быть использован для определения состава материала, так как он отличается для каждого элемента в периодической таблице . Одним из примеров является астрономическая спектроскопия : определение состава звезд.путем анализа полученного света. Характеристики спектра излучения некоторых элементов хорошо видны невооруженным глазом при нагревании этих элементов. Например, когда платиновую проволоку погружают в раствор нитрата натрия, а затем вставляют в пламя, атомы натрия излучают янтарно-желтый цвет. Точно так же, когда индий вставляют в пламя, пламя становится синим. Эти определенные характеристики позволяют идентифицировать элементы по их атомному спектру излучения. Не все излучаемые светом воспринимаются невооруженным глазом, так как спектр также включает ультрафиолетовые лучи и инфракрасное излучение. Спектр излучения формируется, когда возбужденный газ рассматривается непосредственно через спектроскоп.

Принципиальная схема спонтанного излучения

Эмиссионная спектроскопия - это спектроскопический метод, который исследует длины волн фотонов, испускаемых атомами или молекулами во время их перехода из возбужденного состояния в состояние с более низкой энергией. Каждый элемент излучает характеристический набор дискретных длин волн в соответствии с его электронной структурой , и, наблюдая за этими длинами волн, можно определить элементный состав образца. Эмиссионная спектроскопия, разработанная в конце 19 века, и попытки теоретического объяснения спектров атомной эмиссии в конечном итоге привели к квантовой механике .

Есть много способов привести атомы в возбужденное состояние. Взаимодействие с электромагнитным излучением используется в флуоресцентной спектроскопии , протоны или другие более тяжелые частицы - в рентгеновском излучении, индуцированном частицами, а электроны или рентгеновские фотоны - в энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии или рентгеновской флуоресценции . Самый простой способ - нагреть образец до высокой температуры, после чего возбуждение будет происходить за счет столкновений между атомами образца. Этот метод используется в спектроскопии эмиссии пламени , и это был также метод, использованный Андерсом Йонасом Ангстремом, когда он обнаружил явление дискретных эмиссионных линий в 1850-х годах. [1]

Хотя эмиссионные линии вызваны переходом между квантованными энергетическими состояниями и могут сначала выглядеть очень резкими, они имеют конечную ширину, то есть они состоят из более чем одной длины волны света. Это уширение спектральной линии имеет много разных причин.

Эмиссионную спектроскопию часто называют оптической эмиссионной спектроскопией из-за световой природы того, что излучается.

Дополнительная информация: Атомно-эмиссионная спектроскопия.

История [ править ]

Дополнительная информация: История спектроскопии.

В 1756 году Томас Мелвилл наблюдал выделение отчетливых цветных узоров при добавлении соли в пламя спирта . [2] К 1785 году Джеймс Грегори открыл принципы дифракционной решетки, а американский астроном Дэвид Риттенхаус создал первую спроектированную дифракционную решетку . [3] [4] В 1821 году Джозеф фон Фраунгофер закрепил этот значительный экспериментальный скачок, заменив призму в качестве источника дисперсии длин волн, улучшив спектральное разрешение и позволив количественно измерить дисперсию длин волн. [5]

В 1835 году Чарльз Уитстон сообщил, что различные металлы можно различить по ярким линиям в спектрах излучения их искр , тем самым представив альтернативу спектроскопии пламени. [6] [7] В 1849 году JBL Foucault экспериментально продемонстрировал, что линии поглощения и излучения на одной длине волны связаны с одним и тем же материалом, а разница между ними связана с температурой источника света. [8] [9] В 1853 году шведский физик Андерс Йонас Ангстрём представил наблюдения и теории о спектрах газа. [10]Ангстрем постулировал, что раскаленный газ испускает световые лучи той же длины волны, что и те, которые он может поглотить. В то же время Джордж Стоукс и Уильям Томсон (Кельвин) обсуждали похожие постулаты. [8] Ангстрем также измерил спектр излучения водорода, позже названного линиями Бальмера . [11] [12] В 1854 и 1855 годах Дэвид Альтер опубликовал наблюдения за спектрами металлов и газов, включая независимое наблюдение бальмеровских линий водорода. [13] [14]

К 1859 году Густав Кирхгоф и Роберт Бунзен заметили, что несколько линий фраунгофера (линий в солнечном спектре) совпадают с характерными эмиссионными линиями, идентифицированными в спектрах нагретых элементов. [15] [16] Был сделан правильный вывод, что темные линии в солнечном спектре вызваны поглощением химическими элементами в солнечной атмосфере . [17]

Экспериментальная техника пламенно-эмиссионной спектроскопии [ править ]

Раствор, содержащий соответствующее вещество, которое необходимо проанализировать, втягивается в горелку и рассеивается в пламени в виде мелких брызг. Сначала испаряется растворитель, оставляя мелкодисперсные твердые частицы, которые перемещаются в самую горячую область пламени, где образуются газообразные атомы и ионы . Здесь электроны возбуждаются, как описано выше. Обычно для облегчения обнаружения используется монохроматор .

На простом уровне спектроскопию эмиссии пламени можно наблюдать, используя только пламя и образцы солей металлов. Этот метод качественного анализа называется испытанием пламенем . Например, соли натрия, помещенные в пламя, будут светиться желтым от ионов натрия, в то время как ионы стронция (используемые в дорожных факелах) окрашивают его в красный цвет. Медная проволока создает голубое пламя, однако в присутствии хлорида дает зеленый цвет (молекулярный вклад CuCl).

Коэффициент выбросов [ править ]

Коэффициент излучения - это коэффициент выходной мощности электромагнитного источника в единицу времени , вычисляемое значение в физике . Коэффициент излучения газа зависит от длины волны света. Единицы измерения - мс −3 ср −1 . [18] Он также используется в качестве меры выбросов в окружающую среду (по массе) на МВт-ч произведенной электроэнергии , см. Коэффициент выбросов .

Рассеяние света [ править ]

В томсоновском рассеянии заряженная частица испускает излучение под падающим светом. Частица может быть обычным атомным электроном, поэтому коэффициенты излучения имеют практическое применение.

Если Х д V д £ dλ энергия рассеивается объемного элемента д V в телесный угол dQ , между длинами волн Л и λ + dλ в единицу времени , то Эмиссия коэффициент является Х .

Значения X в томсоновском рассеянии можно предсказать по падающему потоку, плотности заряженных частиц и их дифференциальному сечению Томсона (площадь / телесный угол).

Спонтанное излучение [ править ]

Теплое тело, излучающее фотоны, имеет коэффициент монохроматического излучения, связанный с его температурой и полной мощностью излучения. Иногда это называют вторым коэффициентом Эйнштейна , и его можно вывести из квантовой теории .

См. Также [ править ]

  • Абсорбционная спектроскопия
  • Спектр поглощения
  • Атомная спектральная линия
  • Электромагнитная спектроскопия
  • Газоразрядная лампа , Таблица спектров излучения газоразрядных ламп
  • Изомерный сдвиг
  • Изотопный сдвиг
  • Световой коэффициент
  • Физика плазмы
  • Формула Ридберга
  • Спектральная теория
  • Уравнение диода включает коэффициент излучения
  • Термоэлектронная эмиссия

Ссылки [ править ]

  1. ^ Incorporated, SynLube. «Спектроскопический анализ масла» . www.synlube.com . Проверено 24 февраля 2017 .
  2. ^ Мелвилл, Томас (1756). «Наблюдения за светом и цветами» . Очерки и наблюдения, физические и литературные. Прочтите перед обществом в Эдинбурге,… . 2 : 12–90. ; см. стр. 33–36.
  3. ^ См .:
    • Фраухофер. Jos. (1821) "Neue Modifikation des Lichtes durch gegenseitige Einwirkung und Beugung der Strahlen, und Gesetze derselben" (Новая модификация света за счет взаимного влияния и дифракции [световых] лучей и их законов), Denkschriften der Königlichen Akademie der Wissenschaften zu München (Воспоминания Королевской академии наук в Мюнхене), 8 : 3–76.
    • Fraunhofer, Jos. (1823) «Kurzer Bericht von den Resultaten neuerer Versuche über die Gesetze des Lichtes, und die Theorie derselben» (Краткое изложение результатов новых экспериментов по законам света и их теории) Annalen der Physik , 74 (8): 337–378.
  4. ↑ Parker AR (март 2005 г.). «Геологическая история отражающей оптики» . Журнал Королевского общества, Интерфейс . 2 (2): 1–17. DOI : 10,1098 / rsif.2004.0026 . PMC 1578258 . PMID 16849159 .  
  5. ^ OpenStax Astronomy, «Спектроскопия в астрономии». OpenStax CNX. 29 сентября 2016 г. http://cnx.org/contents/1f92a120-370a-4547-b14e-a3df3ce6f083@3
  6. ↑ Брайан Бауэрс (2001). Сэр Чарльз Уитстон FRS: 1802-1875 (2-е изд.). ИЭПП. С. 207–208. ISBN 978-0-85296-103-2.
  7. ^ Уитстон (1836). «О призматическом разложении электрического света» . Отчет пятого заседания Британской ассоциации содействия развитию науки; Состоялось в Дублине в 1835 году. Уведомления и выдержки из сообщений Британской ассоциации содействия развитию науки на Дублинской встрече в августе 1835 года . Лондон, Англия: Джон Мюррей. С. 11–12.
  8. ↑ a b Brand, стр. 60–62.
  9. ^ См .:
    • Фуко, Л. (1849). "Lumière électrique" [Электрический свет]. Société Philomatique de Paris. Extraits des Procès-Verbaux de Séances. (на французском языке): 16–20.
    • Фуко, Л. (7 февраля 1849 г.). "Lumière électrique" [Электрический свет]. L'Institut, Journal Universel des Sciences… (на французском языке). 17 (788): 44–46.
  10. ^ См .:
    • Ангстрем, AJ (1852). "Optiska undersökningar" [Оптические исследования]. Kongliga Vetenskaps-Akademiens Handlingar [Труды Королевской академии наук] (на шведском языке). 40 : 333–360.
    • Ангстрем, AJ (1855a). "Optische Untersuchungen" [Оптические исследования]. Annalen der Physik und Chemie (на немецком языке). 94 : 141–165.
    • Ангстрем, AJ (1855b). «Оптические исследования» . Философский журнал . 4-я серия. 9 : 327–342. DOI : 10.1080 / 14786445508641880 .
  11. Перейти ↑ Wagner, HJ (2005). «Ранняя спектроскопия и бальмеровские линии водорода» . Журнал химического образования . 82 (3): 380. Bibcode : 2005JChEd..82..380W . DOI : 10.1021 / ed082p380.1 .
  12. ^ (Ангстрем, 1852), стр. 352; (Ангстрем, 1855b), стр. 337.
  13. ^ Retcofsky, HL (2003). "Первооткрыватель спектрального анализа?" . Журнал химического образования . 80 (9): 1003. Bibcode : 2003JChEd..80.1003R . DOI : 10.1021 / ed080p1003.1 .
  14. ^ См .:
    • Альтер, Дэвид (1854). «О некоторых физических свойствах света, возникающего при сгорании различных металлов в электрической искре, преломленной призмой» . Американский журнал науки и искусства . 2-я серия. 18 : 55–57.
    • Альтер, Д. (1855). «О некоторых физических свойствах света электрической искры в определенных газах, если смотреть через призму» . Американский журнал науки и искусства . 2-я серия. 19 : 213–214.Наблюдения Альтером оптического спектра водорода приведены на стр. 213.
  15. ^ См .:
    • Густав Кирхгоф (1859) «Ueber die Fraunhofer'schen Linien» (По линиям фраунгофера), Monatsbericht der Königlichen Preussische Akademie der Wissenschaften zu Berlin (Ежемесячный отчет Королевской прусской академии наук в Берлине), 662–665.
    • Густав Кирхгоф (1859) «Ueber das Sonnenspektrum» (В солнечном спектре), Verhandlungen des naturhistorisch-medizinischen Vereins zu Heidelberg (Труды естественной истории / Медицинской ассоциации в Гейдельберге), 1 (7): 251–255.
  16. ^ Г. Кирхгоф (1860). "Ueber die Fraunhofer'schen Linien" . Annalen der Physik . 185 (1): 148–150. Bibcode : 1860AnP ... 185..148K . DOI : 10.1002 / andp.18601850115 .
  17. ^ Г. Кирхгоф (1860). "Ueber das Verhältniss zwischen dem Emissionsvermögen und dem Absorptionsvermögen der Körper für Wärme und Licht" . Annalen der Physik . 185 (2): 275–301. Bibcode : 1860AnP ... 185..275K . DOI : 10.1002 / andp.18601850205 .
  18. ^ Кэрролл, Брэдли В. (2007). Введение в современную астрофизику . Калифорния, США: Pearson Education . п. 256. ISBN 978-0-8053-0402-2.

Внешние ссылки [ править ]

  • Спектры излучения атмосферных газов
  • Физические справочные данные NIST - базы данных атомной спектроскопии
  • Цветовое моделирование спектра излучения элемента на основе данных NIST
  • Спектр излучения водорода