(Spectrul de emisie al unei lămpi cu halogenuri metalice.)
Spectrul de emisie al unui element chimic sau compus chimic este spectrul frecvențelor radiației electromagnetice emise ca urmare a unui atom sau a unei molecule care face o tranziție de la o stare de energie înaltă la o stare de energie mai scăzută. Energia fotonică a fotonului emis este egală cu diferența energetică dintre cele două stări. Există multe tranziții electronice posibile pentru fiecare atom și fiecare tranziție are o diferență energetică specifică. Această colecție de tranziții diferite, care conduc la diferite lungimi de undă radiate, formează un spectru de emisii. Spectrul de emisii al fiecărui element este unic. Prin urmare, spectroscopia poate fi utilizată pentru identificarea elementelor în materie în cazul compoziției necunoscute. În mod similar, spectrele de emisie ale moleculelor pot fi utilizate în analiza chimică a substanțelor.
(O demonstrație a liniilor D de sodiu, D2 589 nm (stânga) și D1 590 nm (dreapta), cu ajutorul unui fitil cu apă sărată într-o flacără.)
Emisie
În fizică, emisia este procesul prin care o stare mecanică cuantică de energie mai mare a unei particule este convertită la o valoare mai mică prin emisia unui foton, rezultând producerea de lumină. Frecvența luminii emise este o funcție de energiei tranziției. Deoarece energia trebuie conservată, diferența energetică dintre cele două stări este egală cu energia transportată de foton. Starea energetică a tranzițiilor poate duce la emisii pe o gamă foarte largă de frecvențe. De exemplu, lumina vizibilă este emisă prin cuplarea stărilor electronice în atomi și molecule (atunci fenomenul se numește fluorescență sau fosforescență). Pe de altă parte, tranzițiile în învelișul nuclear pot emite raze gama de energie ridicată, în timp ce tranzițiile de spin nuclear emit unde radio de energie joasă.
Emitanța unui obiect cuantifică cantitatea de lumină emisă de el. Aceasta poate fi legată de alte proprietăți ale obiectului prin legea lui Stefan-Boltzmann. Pentru majoritatea substanțelor, cantitatea de emisie variază în funcție de temperatură și de compoziția spectroscopică a obiectului, ceea ce duce la apariția temperaturii de culoare și a liniilor de emisie. Măsurătorile precise la numeroase lungimi de undă permit identificarea unei substanțe prin spectroscopie de emisie.
Emisiile de radiații sunt descrise în mod tipic folosind mecanica cuantică semi-clasică: nivelele și distanțele energetice ale particulelor sunt determinate de mecanica cuantică și lumina este tratată ca un câmp electric oscilant care poate determina o tranziție dacă este în rezonanță cu frecvența naturală a sistemului. Problema mecanicii cuantice este tratată folosind teoria perturbării dependente de timp și conduce la rezultatul general cunoscut sub numele de regula de aur a lui Fermi. Descrierea a fost înlocuită de electrodinamica cuantică, deși versiunea semi-clasică continuă să fie mai utilă în majoritatea calculelor practice.
Origini
Atunci când electronii din atom sunt excitați, de exemplu prin încălzire, energia suplimentară împinge electronii la orbitale de energie mai mari. Când electronii cad înapoi și părăsesc starea excitată, energia este re-emisă sub forma unui foton. Lungimea de undă (sau echivalentul, frecvența) fotonului este determinată de diferența de energie dintre cele două stări. Aceste fotoni emiși formează spectrul elementului.
Faptul că numai anumite culori apar într-un spectru de emisie atomică a unui element înseamnă că numai anumite frecvențe de lumină sunt emise. Fiecare dintre aceste frecvențe este legată de energie prin formula:
Efoton = hν
unde Efoton este energia fotonului, ν este frecvența acestuia, iar h este constanta lui Planck. Aceasta concluzionează că doar fotoni cu energii specifice sunt emiși de atom. Principiul spectrului emisiilor atomice explică culorile variate din semnele neonului, precum și rezultatele testelor de flacără chimică.
Frecvențele luminii pe care le poate emite un atom sunt dependente de stările în care electronii pot exista. Atunci când este excitat, un electron se deplasează la un nivel de energie mai mare sau orbital. Când electronul cade înapoi la nivelul de bază, lumina este emisă.
(Spectrul emisiilor de hidrogen)
Imaginea de mai sus prezintă spectrul emisiilor de lumină vizibilă pentru hidrogen. Dacă ar fi existat doar un singur atom de hidrogen, atunci o singură lungime de undă ar fi observată într-un anumit moment dat. Se observă mai multe posibile emisii, deoarece eșantionul conține mai mulți atomi de hidrogen care se află în diferite stări de energie inițiale și ajung la diferite stări de energie finală. Aceste combinații diferite conduc la emisii simultane la diferite lungimi de undă.
(Spectrul emisiilor de fier)
Radiații din molecule
Pe lângă tranzițiile electronice discutate mai sus, energia unei molecule se poate schimba și prin tranziții rotative, vibraționale și vibronice (combinate vibraționale și electronic). Aceste tranziții de energie duc adesea la grupuri strâns separate de multe linii spectrale diferite, cunoscute sub numele de benzi spectrale. Spectrele de bandă nerezolvate pot să apară ca un continuu spectral.
Lasă un răspuns