Спектр излучения - Emission spectrum

Спектр излучения металлогалогенной лампы.

Демонстрация 589 нм D₂ (слева) и 590 нм D₁ (справа) эмиссионные линии D натрия с использованием фитиля с соленой водой в пламени

В спектр излучения из химический элемент или же химическое соединение это спектр частоты из электромагнитное излучение выпущен из-за атом или молекула, создающая переход из состояния с высокой энергией к состоянию с низкой энергией. В энергия фотона из выпущенных фотон равна разности энергий между двумя состояниями. Для каждого атома существует множество возможных электронных переходов, и каждый переход имеет определенную разницу в энергии. Это совокупность разных переходов, приводящих к разным излучаемым длины волн, составляют спектр излучения. Спектр излучения каждого элемента уникален. Следовательно, спектроскопия может использоваться для идентификации элементов неизвестного состава. Точно так же спектры излучения молекул можно использовать при химическом анализе веществ.

Эмиссия

В физика, излучение - это процесс, с помощью которого квантово-механическое состояние частицы с более высокой энергией преобразуется в более низкое за счет излучения фотон, в результате чего производится свет. 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 испускается за счет связи электронных состояний в атомах и молекулах (тогда это явление называется флуоресценция или же фосфоресценция ). С другой стороны, переходы ядерной оболочки могут излучать высокую энергию гамма излучение, а ядерные спиновые переходы излучают низкую энергию радиоволны.

В эмиссия объекта определяет количество испускаемого им света. Это может быть связано с другими свойствами объекта через Закон Стефана – Больцмана.Для большинства веществ количество выбросов зависит от температура и спектроскопический состав объекта, что приводит к появлению цветовая температура и эмиссионные линии. Точные измерения на многих длинах волн позволяют идентифицировать вещество через эмиссионная спектроскопия.

Эмиссия излучения обычно описывается с использованием полуклассической квантовой механики: уровни энергии и расстояния частиц определяются из квантовая механика, 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 нестационарного теория возмущений и приводит к общему результату, известному как Золотое правило Ферми. Описание было заменено квантовая электродинамика, хотя полуклассическая версия по-прежнему более полезна в большинстве практических вычислений.

Происхождение

Когда электроны в атоме возбуждаются, например, при нагревании, дополнительные энергия толкает электроны на орбитали с более высокой энергией. Когда электроны падают и покидают возбужденное состояние, энергия переизлучается в виде фотон. 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:

${\displaystyle E_{\text{photon}}=h\nu }$,

куда ${\displaystyle E_{\text{photon}}}$ это энергия фотона, ${\displaystyle \nu }$ это его частота, и ${\displaystyle h}$ является Постоянная Планка. Отсюда следует, что только фотоны с определенными энергиями излучаются атомом. Принцип атомного спектра излучения объясняет различные цвета в неоновые вывески, а также химические испытание пламенем результаты (описаны 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 водород

На картинке выше показан видимый свет. спектр излучения водорода. 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 утюг

Излучение от молекул

Помимо рассмотренных выше электронных переходов, энергия молекулы также может изменяться через вращающийся, колебательный, и вибронный (комбинированные колебательные и электронные) переходы. Эти энергетические переходы часто приводят к близкорасположенным группам из множества различных спектральные линии, известный как спектральные полосы. Неразрешенные полосовые спектры могут выглядеть как спектральный континуум.

Эмиссионная спектроскопия

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 спектроскоп дает 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 можно использовать для определения состава материала, поскольку он отличается для каждого элемент из периодическая таблица. Одним из примеров является астрономическая спектроскопия: определение состава звезды Анализируя полученный свет, характеристики спектра излучения некоторых элементов хорошо видны невооруженным глазом при нагревании этих элементов. Например, когда платиновая проволока погружается в стронций раствор нитрата, а затем помещенный в пламя, атомы стронция излучают красный цвет. Аналогично, когда медь вставляется в пламя, пламя становится зеленым. Эти определенные характеристики позволяют идентифицировать элементы по их атомному спектру излучения. Не все излучаемые источники света воспринимаются невооруженным глазом, поскольку спектр также включает ультрафиолетовые лучи и инфракрасное освещение. Излучение образуется, когда возбужденный газ рассматривается непосредственно через спектроскоп.

Принципиальная схема спонтанное излучение

Эмиссионная спектроскопия это спектроскопический метод, который исследует длины волн фотоны испускается атомами или молекулами во время их перехода из возбужденное состояние в более низкое энергетическое состояние. Каждый элемент излучает характерный набор дискретных длин волн в соответствии с его электронная структура, и, наблюдая эти длины 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 квантовая механика.

Есть много способов, которыми можно привести атомы в возбужденное состояние. Взаимодействие с электромагнитным излучением используется в флуоресцентная спектроскопия, протоны или другие более тяжелые частицы в Рентгеновское излучение, индуцированное частицами и электроны или рентгеновские фотоны в Энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия или же Рентгеновская флуоресценция. Самый простой метод - это нагреть образец до высокой температуры, после чего возбуждение вызывается столкновениями между атомами образца. Этот метод используется в пламенно-эмиссионная спектроскопия, и это был также метод, используемый Андерс Йонас Ангстрём когда он обнаружил явление дискретных эмиссионных линий в 1850-х годах.^[1]

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

Эмиссионную спектроскопию часто называют оптическая эмиссионная спектроскопия из-за легкости излучаемого.

Дальнейшая информация: Атомно-эмиссионная спектроскопия

История

Дальнейшая информация: История спектроскопии

В 1756 году Томас Мелвилл наблюдал выделение отчетливых цветных узоров, когда соли были добавлены к алкоголь пламя.^[2] К 1785 г. Джеймс Грегори открыл принципы дифракционной решетки и американский астроном Дэвид Риттенхаус сделал первый инженерный дифракционная решетка.^[3][4] В 1821 г. Йозеф фон Фраунгофер укрепили этот значительный экспериментальный скачок по замене призмы в качестве источника длины волны разброс улучшение спектральное разрешение и обеспечение возможности количественной оценки дисперсных длин волн.^[5]

В 1835 г. Чарльз Уитстон сообщили, что различные металлы можно различить по ярким линиям в спектрах излучения их искры, тем самым представляя альтернативу спектроскопии пламени.^[6][7]В 1849 г. Ж. Б. Л. Фуко экспериментально продемонстрировал, что поглощение и линии излучения с одинаковой длиной волны связаны с одним и тем же материалом, а разница между ними возникает из-за температуры источника света.^[8][9]В 1853 г. 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 подобные постулаты.^[8] Ангстрем также измерил спектр излучения водорода, позже названный Линии Бальмера.^[11][12]В 1854 и 1855 гг. Дэвид Альтер опубликованные наблюдения за спектрами металлов и газов, в том числе независимое наблюдение Линии Бальмера водорода.^[13][14]

К 1859 г. Густав Кирхгоф и Роберт Бунзен заметил, что несколько Линии фраунгофера (линии в солнечном спектре) совпадают с характерными эмиссионными линиями, идентифицированными в спектрах нагретых элементов.^[15][16] Был правильно сделан вывод, что темные линии в солнечном спектре вызваны поглощением химическими элементами в солнечном спектре. солнечная атмосфера.^[17]

Экспериментальная техника в пламенно-эмиссионной спектроскопии

Раствор, содержащий соответствующее вещество, которое необходимо проанализировать, втягивается в горелку и рассеивается в пламени в виде мелких брызг. Растворитель сначала испаряется, оставляя тонко измельченный твердый частицы, которые перемещаются в самую горячую область пламени, где газообразные атомы и ионы производятся. Здесь электроны возбуждаются, как описано выше. Это обычное дело для монохроматор будет использоваться для облегчения обнаружения.

На простом уровне спектроскопию эмиссии пламени можно наблюдать, используя всего лишь пламя и образцы солей металлов. Этот метод качественного анализа называется испытание пламенем. Например, натрий помещенные в пламя соли будут светиться желтым от ионов натрия, а стронций (используется в дорожных осветительных приборах) ионы окрашивают его в красный цвет. Медь проволока создаст пламя синего цвета, однако при наличии хлористый дает зеленый цвет (молекулярный вклад CuCl).

Коэффициент выбросов

Коэффициент выбросов коэффициент выходной мощности в единицу времени электромагнитный источник, расчетное значение в физика. Коэффициент выбросов газа зависит от длина волны света. Единицы измерения: мс⁻³SR⁻¹.^[18] Он также используется как мера относящийся к окружающей среде выбросы (по массе) на МВтч произведенная электроэнергия, видеть: Коэффициент выбросов.

Рассеяние света

В Томсоновское рассеяние заряженная частица испускает излучение в падающем свете. Частица может быть обычным атомным электроном, поэтому коэффициенты излучения имеют практическое применение.

Если Икс dV dΩ dλ - энергия, рассеянная элементом объема dV в телесный угол dΩ между длинами волн λ и λ + dλ в единицу времени, то Эмиссионная коэффициент является Икс.

Ценности Икс в томсоновском рассеянии может быть предсказанный от падающего потока, плотности заряженных частиц и их дифференциального сечения Томсона (площадь / телесный угол).

Спонтанное излучение

Теплое тело излучает фотоны имеет монохромный коэффициент излучения, связанный с его температурой и полной мощностью излучения. Иногда это называют вторым Коэффициент Эйнштейна, и может быть выведено из квантово-механическая теория.

Смотрите также

• Абсорбционная спектроскопия
• Спектр поглощения
• Атомная спектральная линия
• Электромагнитная спектроскопия
• Газоразрядная лампа, Таблица спектров излучения газоразрядных ламп
• Изомерный сдвиг
• Изотопный сдвиг
• Световой коэффициент
• Плазма физика
• Формула Ридберга
• Спектральная теория
• В Диод уравнение включает коэффициент выбросов
• Термоэлектронная эмиссия

Рекомендации

1. Incorporated, SynLube. «Спектроскопический анализ масла». www.synlube.com. Получено 2017-02-24.
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. Видеть:
   • Фраухофер. Иос. (1821 г.) "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 законы), Denkschriften der Königlichen Akademie der Wissenschaften zu München (Воспоминания Королевской академии наук в Мюнхене), 8: 3–76.
   • Фраунгофер, Иосиф (1823 г.) "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. Паркер AR (март 2005 г.). «Геологическая история отражающей оптики». Журнал Королевского общества, Интерфейс. 2 (2): 1–17. Дои:10.1098 / rsif.2004.0026. ЧВК  1578258. PMID  16849159.
5. OpenStax Astronomy, "Спектроскопия в астрономии". OpenStax CNX. 29 сен.2016 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 г.). «О призматическом разложении электрического света». Отчет о пятом заседании Британской ассоциации содействия развитию науки; Состоялось в Дублине в 1835 году. Уведомления и выдержки из сообщений Британской ассоциации содействия развитию науки на Дублинской встрече, август 1835 года.. Лондон, Англия: Джон Мюррей. С. 11–12.
8. Бренд, стр. 60-62
9. Видеть:
   • 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). 17 (788): 44–46.
10. Видеть:
    • Ангстрем, А.Дж. (1852 г.). "Optiska undersökningar" [Оптические исследования]. Kongliga Vetenskaps-Akademiens Handlingar [Труды Королевской академии наук] (на шведском языке). 40: 333–360.
    • Ангстрем, А.Дж. (1855а). "Optische Untersuchungen" [Оптические исследования]. Annalen der Physik und Chemie (на немецком). 94: 141–165.
    • Ангстрем, А.Дж. (1855b). «Оптические исследования». Философский журнал. 4-я серия. 9: 327–342. Дои:10.1080/14786445508641880.
11. Вагнер, Х. Дж. (2005). «Ранняя спектроскопия и бальмеровские линии водорода». Журнал химического образования. 82 (3): 380. Bibcode:2005JChEd..82..380W. Дои:10.1021 / ed082p380.1.
12. (Ангстрем, 1852), стр. 352; (Ангстрем, 1855b), стр. 337.
13. Реткофски, Х. Л. (2003). "Первооткрыватель спектрального анализа?". Журнал химического образования. 80 (9): 1003. Bibcode:2003JChEd..80.1003R. Дои:10.1021 / ed080p1003.1.
14. Видеть:
    • Альтер, Дэвид (1854). «Об определенных 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. Видеть:
    • Густав Кирхгоф (1859) "Ueber die Fraunhofer'schen Linien" (По образцу 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" (По солнечному спектру), 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. Дои: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. Дои: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.

внешняя ссылка

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