Спектральная линия

Эта статья включает в себя список общих ссылок , но он остается в значительной степени непроверенным, поскольку в нем отсутствует достаточное количество соответствующих встроенных ссылок . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью, добавив более точные цитаты. ( Май 2013 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Эмиссионные линии ( дискретный спектр )

Линии поглощения (дискретный спектр)

Линии поглощения воздуха при непрямом освещении, когда источник прямого света не виден, так что газ не находится непосредственно между источником и детектором. Здесь «источником» являются линии фраунгофера в солнечном свете и рэлеевское рассеяние этого солнечного света. Это спектр голубого неба, расположенного недалеко от горизонта и направленного на восток в районе 15 или 16 часов (т.е. Солнце направлено на запад ^{[ требуется пояснение ]} ) в ясный день.

Спектральная линия является темной или яркой линией в противном случае равномерного и сплошной спектр , в результате испускания или поглощений из света в узком диапазоне частот, по сравнению с соседними частотами. Спектральные линии часто используются для идентификации атомов и молекул . Эти «отпечатки пальцев» можно сравнить с ранее собранными «отпечатками пальцев» атомов и молекул ^[1], и таким образом они используются для идентификации атомных и молекулярных компонентов звезд и планет , что в противном случае было бы невозможно.

Типы линейчатых спектров [ править ]

Непрерывный спектр лампы накаливания (в середине) и дискретные линии спектра люминесцентной лампы (внизу)

Спектральные линии являются результатом взаимодействия между квантовой системой (обычно атомами , но иногда молекулами или атомными ядрами ) и одиночным фотоном . Когда у фотона достаточно энергии (которая связана с его частотой) ^[2], чтобы позволить изменение энергетического состояния системы (в случае атома это обычно электрон, меняющий орбитали)) фотон поглощается. Затем он будет спонтанно переизлучен либо на той же частоте, что и исходный, либо в каскаде, где сумма энергий испускаемых фотонов будет равна энергии поглощенного (при условии, что система вернется к исходному состоянию. государственный). ^{[ необходима цитата ]}

Спектральная линия может наблюдаться либо как линии излучения или линии поглощения . Тип наблюдаемой линии зависит от типа материала и его температуры относительно другого источника излучения. Линия поглощения образуется, когда фотоны от горячего источника широкого спектра проходят через холодный материал. Интенсивность света в узком диапазоне частот снижается из-за поглощения материалом и повторного излучения в случайных направлениях. Напротив, яркая линия излучения возникает, когда фотоны от горячего материала обнаруживаются в присутствии широкого спектра от холодного источника. Интенсивность света в узком диапазоне частот увеличивается из-за излучения материала.

Спектральные линии сильно зависят от атома и могут использоваться для определения химического состава любой среды, способной пропускать свет через нее. Спектральными методами были обнаружены несколько элементов, в том числе гелий , таллий и цезий . Спектральные линии также зависят от физических условий газа, поэтому они широко используются для определения химического состава звезд и других небесных тел, которые не могут быть проанализированы другими способами, а также их физического состояния.

Спектральные линии могут образовываться не только при взаимодействии атома с фотоном, но и при других механизмах. В зависимости от точного физического взаимодействия (с молекулами, отдельными частицами и т. Д.) Частота задействованных фотонов будет широко варьироваться, и можно наблюдать линии по всему электромагнитному спектру , от радиоволн до гамма-лучей .

Номенклатура[ редактировать ]

Сильные спектральные линии в видимой части спектра часто имеют уникальное обозначение линии фраунгофера , например K для линии с длиной волны 393,366 нм, возникающей из однократно ионизированного Ca ⁺ , хотя некоторые из «линий» фраунгофера представляют собой смесь нескольких линий из нескольких разные виды . В других случаях линии обозначаются в соответствии с уровнем ионизации путем добавления римской цифры к обозначению химического элемента , так что Ca ⁺ также имеет обозначение Ca II или Ca ^II.. Нейтральные атомы обозначаются римской цифрой I, однократно ионизированные атомы - II и так далее, так что, например, Fe ^IX (IX, римская девятка) представляет собой восьмикратно ионизированное железо .

Более подробные обозначения обычно включают длину волны линии и могут включать номер мультиплета (для атомных линий) или обозначение полосы (для молекулярных линий). Многие спектральные линии атомарного водорода также имеют обозначения в соответствующих сериях , например серия Лаймана или серия Бальмера . Первоначально все спектральные линии были разделены на серии: Принцип серии , серии Sharp и серии Диффузный . Эти серии существуют для атомов всех элементов, и закономерности для всех атомов хорошо предсказываются формулой Ридберга-Ритца.. По этой причине база данных спектральных линий NIST содержит столбец для линий, рассчитанных Ритцем. Позднее эти серии стали ассоциироваться с суборбиталями.

Расширение и сдвиг линии [ править ]

Существует ряд эффектов, управляющих формой спектральной линии . Спектральная линия простирается в диапазоне частот, а не на одной частоте (т. Е. Она имеет ненулевую ширину линии). Кроме того, его центр может быть смещен от номинальной центральной длины волны. Это расширение и сдвиг объясняется несколькими причинами. Эти причины можно разделить на две общие категории - расширение из-за местных условий и расширение из-за расширенных условий. Расширение из-за местных условий происходит из-за эффектов, которые сохраняются в небольшой области вокруг излучающего элемента, обычно достаточно малой, чтобы обеспечить локальное термодинамическое равновесие.. Расширение из-за расширенных условий может быть результатом изменений в спектральном распределении излучения, когда оно проходит путь к наблюдателю. Это также может быть результатом объединения излучения ряда удаленных друг от друга регионов.

Расширение из-за локальных эффектов [ править ]

Естественное уширение [ править ]

Время жизни возбужденных состояний приводит к естественному уширению, также известному как уширение за время жизни. Принцип неопределенности связывает время жизни возбужденного состояния (из-за спонтанного радиационного распада или оже-процесса ) с неопределенностью его энергии. Короткое время жизни будет иметь большую неопределенность энергии и широкую эмиссию. Этот эффект уширения приводит к несмещенному лоренцеву профилю . Естественное уширение может быть экспериментально изменено только до такой степени, что скорость распада может быть искусственно подавлена ​​или увеличена. ^[3]

Тепловое доплеровское уширение [ править ]

Атомы в газе, излучающие излучение, будут иметь распределение по скоростям. Каждый испускаемый фотон будет "красным" или "синим", смещенным эффектом Доплера в зависимости от скорости атома относительно наблюдателя. Чем выше температура газа, тем шире распределение скоростей в газе. Поскольку спектральная линия представляет собой комбинацию всего испускаемого излучения, чем выше температура газа, тем шире спектральная линия, излучаемая этим газом. Этот эффект уширения описывается гауссовым профилем, и никакого связанного с ним сдвига нет.

Расширение давления [ править ]

Присутствие соседних частиц повлияет на излучение, испускаемое отдельной частицей. Это происходит в двух предельных случаях:

• Расширение ударного давления или столкновительное расширение : столкновение других частиц со светоизлучающей частицей прерывает процесс излучения и, сокращая характерное время для процесса, увеличивает неопределенность в излучаемой энергии (как это происходит при естественном расширении). ^[4] Продолжительность столкновения намного короче, чем время процесса эмиссии. Этот эффект зависит как от плотности, так и от температуры газа. Эффект уширения описывается лоренцевым профилем, и может быть связанный с ним сдвиг.
• Расширение квазистатического давления : присутствие других частиц сдвигает уровни энергии в излучающей частице, ^{[ требуется пояснение ],} тем самым изменяя частоту испускаемого излучения. Продолжительность воздействия намного больше, чем время процесса эмиссии. Этот эффект зависит от плотности газа, но не зависит от температуры . Форма профиля линии определяется функциональной формой возмущающей силы по отношению к расстоянию от возмущающей частицы. Также может быть смещение центра линии. Общее выражение для формы линии, являющейся результатом квазистатического уширения давлением, является 4-параметрическим обобщением гауссова распределения, известного какстабильное распространение . ^[5]

Расширение давления также можно классифицировать по характеру возмущающей силы следующим образом:

• Линейное штарковское уширение происходит за счет линейного эффекта Штарка , который возникает в результате взаимодействия излучателя с электрическим полем заряженной частицы на расстоянии , вызывая сдвиг энергии, линейный по напряженности поля.${\ displaystyle r}$${\ displaystyle (\ Delta E \ sim 1 / r ^ {2})}$
• Резонансное уширение происходит, когда возмущающая частица принадлежит к тому же типу, что и излучающая частица, что вводит возможность процесса обмена энергией.${\ displaystyle (\ Delta E \ sim 1 / r ^ {3})}$
• Квадратичное штарковское уширение происходит через квадратичный эффект Штарка , который возникает в результате взаимодействия излучателя с электрическим полем, вызывающего сдвиг энергии, квадратичный по напряженности поля.${\ displaystyle (\ Delta E \ sim 1 / r ^ {4})}$
• Уширение Ван-дер-Ваальса происходит, когда излучающая частица возмущается силами Ван-дер-Ваальса . Для квазистатического случая профиль Ван-дер-Ваальса ^{[примечание 1]} часто бывает полезным для описания профиля. Сдвиг энергии как функция расстояния ^{[ необходимо определение ]} задается в крыльях, например, потенциалом Леннарда-Джонса .${\ displaystyle (\ Delta E \ sim 1 / r ^ {6})}$

Неоднородное уширение [ править ]

Неоднородное уширение - это общий термин для обозначения уширения, потому что некоторые излучающие частицы находятся в другой локальной среде, чем другие, и, следовательно, излучают с другой частотой. Этот термин используется особенно для твердых тел, где поверхности, границы зерен и вариации стехиометрии могут создавать множество локальных сред, которые может занимать данный атом. В жидкостях эффекты неоднородного уширения иногда уменьшаются за счет процесса, называемого двигательным сужением .

Расширение из-за нелокальных эффектов [ править ]

Определенные типы уширения являются результатом условий в большой области пространства, а не просто условий, локальных для излучающей частицы.

Увеличение непрозрачности [ править ]

Электромагнитное излучение, испускаемое в определенной точке пространства, может повторно поглощаться при перемещении в пространстве. Это поглощение зависит от длины волны. Линия уширена, потому что фотоны в центре линии имеют большую вероятность обратного поглощения, чем фотоны на крыльях линии. Действительно, реабсорбция вблизи центра линии может быть настолько большой, что вызывает самообращение, при котором интенсивность в центре линии меньше, чем в крыльях. Этот процесс также иногда называют самопоглощением .

Макроскопическое доплеровское уширение [ править ]

Излучение, испускаемое движущимся источником, подвержено доплеровскому сдвигу из-за конечной проекции лучевой скорости. Если разные части излучающего тела имеют разные скорости (вдоль луча зрения), результирующая линия будет расширена, причем ширина линии будет пропорциональна ширине распределения скорости. Например, излучение, испускаемое удаленным вращающимся телом, таким как звезда , будет расширяться из-за изменений скорости на луче зрения на противоположных сторонах звезды. Чем больше скорость вращения, тем шире линия. Другой пример - взрывающаяся плазменная оболочка в Z-пинче .

Радиационное уширение [ править ]

Излучательное уширение профиля спектрального поглощения происходит потому, что резонансное поглощение в центре профиля насыщается при гораздо более низких интенсивностях, чем нерезонансные крылья. Следовательно, с ростом интенсивности поглощение в крыльях растет быстрее, чем поглощение в центре, что приводит к уширению профиля. Радиационное уширение происходит даже при очень низкой интенсивности света.

Комбинированные эффекты [ править ]

Каждый из этих механизмов может действовать изолированно или в сочетании с другими. Предполагая, что каждый эффект независим, наблюдаемый профиль линии представляет собой свертку профилей линий каждого механизма. Например, комбинация теплового доплеровского уширения и уширения ударного давления дает профиль Фойгта .

Однако разные механизмы расширения линий не всегда независимы. Например, эффекты столкновения и двигательные доплеровские сдвиги могут действовать согласованным образом, приводя в некоторых условиях даже к столкновительному сужению , известному как эффект Дике .

Спектральные линии химических элементов [ править ]

Видимый свет [ править ]

Для каждого элемента в следующей таблице показаны спектральные линии, которые появляются в видимом спектре примерно на 400-700 нм.

Другие длины волн [ править ]

Без уточнения, «спектральные линии» обычно подразумевают, что речь идет о линиях с длинами волн, которые попадают в диапазон видимого спектра. Однако есть также много спектральных линий, которые проявляются на длинах волн вне этого диапазона. На гораздо более коротких длинах волн рентгеновских лучей они известны как характеристические рентгеновские лучи . Другие частоты также имеют атомные спектральные линии, такие как серия Лаймана , которая попадает в ультрафиолетовый диапазон.

См. Также [ править ]

• Спектр поглощения
• Атомная спектральная линия
• Модель Бора
• Электронная конфигурация
• Спектр излучения
• преобразование Фурье
• Линия фраунгофера
• Таблица спектра излучения газоразрядных ламп
• Водородная линия
• Спектральный анализ методом наименьших квадратов
• Теллурическое загрязнение
• Отношения спектральных линий
• Спектроскопия
• Сплаталог

Примечания [ править ]

Ссылки [ править ]

Дальнейшее чтение [ править ]

• Грим, Ханс Р. (1997). Принципы плазменной спектроскопии . Кембридж: Издательство университета. ISBN 0-521-45504-9.
• Грим, Ханс Р. (1974). Уширение спектральной линии плазмой . Нью-Йорк: Academic Press . ISBN 0-12-302850-7.
• Грим, Ганс Р. (1964). Плазменная спектроскопия . Нью-Йорк: книжная компания McGraw-Hill.