Linia spectrală
Ca linii spectrale sau linii de rezonanță , linii ascuțite separate într-un spectru de unde emise ( linii de emisie ) sau absorbite ( linii de absorbție ) de unde electromagnetice , în sens mai restrâns în intervalul lungimii de undă a luminii vizibile ( spectru luminos ). Liniile spectrale sunt caracterizate prin lungimea de undă , intensitatea liniei și lățimea liniei . Cauza liniilor spectrale sunt tranzițiile electronice excitate de lumină dinAtomi sau molecule .
Numele de linie spectrală se întoarce istoric la faptul că există o fantă de intrare în spectrometrele convenționale , a căror formă este reflectată pe ecran sau în ochiul privitorului. Mai târziu, numele a fost transferat și pe vârfuri (adică maxime) într-un spectru înregistrat ca o curbă de intensitate.
Liniile spectrale apar în spectroscopia atomică instrumentală (cum ar fi spectroscopia de rezonanță magnetică nucleară ) sau în colorarea flăcării . Acestea sunt folosite, printre altele, în astronomie pentru a analiza structura moleculară a stelelor , planetelor și materiei interstelare , care altfel ar fi imposibilă. Se aflau în refracția luminii de la soare printr-o prismă descoperită în secolul al XIX-lea, din care s-au dezvoltat apoi spectroscopii care permit un câmp larg de aplicații pentru analiza spectrală .
Noțiuni de bază
O linie spectrală este lumina unei frecvențe definite cu precizie care este emisă (emisă) sau absorbită (absorbită) de un atom sau moleculă datorită unei tranziții de la un nivel de energie la altul. Frecvența este determinată de energia fotonului emis sau absorbit ; aceasta este egală cu diferența dintre energiile celor două stări mecanice cuantice . Frecvența este caracteristică acestei tranziții particulare în tipul dat de atom. Prin urmare, se pot distinge tipuri de atomi prin observarea liniilor spectrale.
Linia de emisie
O linie de emisie apare ca o linie ușoară în spectru. Ea apare în timpul tranziției de la un nivel superior la un mai mic nivel de energie , de exemplu atunci când un electron trece dintr - o stare excitată la sol de stat. Aici se emite un foton. Acest lucru se poate întâmpla spontan ( emisie spontană ) sau, cum ar fi. B. cu laser , sunt excitați de lumina cu o frecvență adecvată ( emisie stimulată ).
Linia de absorbție
Când lumina este iradiată cu un spectru continuu (adică un amestec de frecvență), absorbția prin rezonanță a fotonilor cu o frecvență adecvată are ca rezultat o linie de absorbție în care este indusă o tranziție de la un nivel de energie mai mic la unul mai mare - de exemplu, când trece un electron prin fotonul din banda de valență în banda de conducere este „ridicat” (vezi efectul fotoelectric ).
Când revin la nivelul inferior de energie, fotonii devin izotropi , i. H. în orice direcție, emisă.
Ambele acestea conduc la lumina fiind împrăștiată difuz de materialul iradiat la această frecvență . Atâta timp cât există suficienți atomi de absorbție, se produce
- o linie întunecată în spectrul continuu de lumină care strălucește ( linia Fraunhofer ); aceasta este de obicei ceea ce se înțelege prin termenul linie de absorbție
- o linie de lumină pe un fundal întunecat atunci când se analizează lumina împrăștiată care iese din partea gazului; acest tip de linie de lumină nu se numește linie de emisie datorită terminologiei istorice ; Liniile sunt denumite astfel numai dacă excitația nu a fost făcută de lumina cu aceeași frecvență .
Profiluri de emisii
Lumina unei linii spectrale nu conține o singură frecvență definită brusc, ci cuprinde un interval de frecvență (îngust). Jumătate lățimea acestei zone este numită lățimea liniei . Lățimea liniei unei linii de emisie este alcătuită din mai multe contribuții:
- Profilul lorentz
- Linia naturală lățime rezultă din durata de viață a stării inițiale prin principiul de incertitudine Heisenberg . Aceasta are forma unei curbe Lorentz . Nu este posibil să se reducă acest lucru.
- Profil gaussian
- Mișcarea termică a atomilor creează un efect Doppler care mută lumina de la un atom individual sau o moleculă la roșu sau albastru, în funcție de direcția de mișcare. Mișcarea statistică are ca rezultat o distribuție mai largă a frecvenței. Acest efect se numește lărgire Doppler . Are forma unei curbe gaussiene și este dependentă de temperatură . De obicei, lățimea Doppler domină în mod clar peste lățimea liniei naturale. Mecanismul este, de asemenea, cunoscut sub termenul de lărgire neomogenă a liniei .
- Profil Voigt
- În timpul unei măsurători, o curbă Lorentz de lățime finită pare să se fi schimbat de la forma sa cunoscută dacă funcția aparatului a aranjamentului de măsurare are o lățime de jumătate în ordinea de mărime a curbei Lorentz luate în considerare. Forma liniei poate fi apoi descrisă prin convoluția curbei Lorentz și funcția aparatului. Dacă funcția aparatului este o curbă gaussiană, rezultatul convoluției se numește profil Voigt .
istorie
Liniile de absorbție au fost descoperite pentru prima dată în 1802 de William Hyde Wollaston și în 1814, independent de el, de Joseph von Fraunhofer în spectrul soarelui . Aceste linii întunecate din spectrul solar se mai numesc și linii Fraunhofer .
Liniile spectrale, printre alte efecte, au contribuit la dezvoltarea mecanicii cuantice . Conform electrodinamicii clasice , un electron legat într-un atom ar putea emite unde electromagnetice de orice frecvență; existența liniilor discrete nu a putut fi explicată clasic. Descoperirea că frecvențele liniilor spectrale ale atomului de hidrogen sunt proporționale cu o expresie a formei cu numere întregi și au condus la conceptul numărului cuantic și la adus în cele din urmă pe Niels Bohr la modelul său Bohr al atomului , primul - acum depășit - model atomic mecanic cuantic. Mecanica cuantică modernă poate prezice liniile spectrale ale atomilor cu un grad foarte mare de precizie.
literatură
- Heinz Haferkorn : Optică. Bazele fizico-tehnice și aplicațiile. Ediția a IV-a, Wiley-VCH 2003, ISBN 3-527-40372-8
- Ingolf Volker Hertel , Claus-Peter Schulz: Atomi, molecule și fizică optică 1 . Springer 2008, ISBN 978-3-540-30617-7
- Peter M. Skrabal: Spectroscopie , vdf Verlag, 2009, ISBN 978-3-8252-8355-1