Warto przeczytać

Widma emisyjne, widma absorbcyjne

Widmo światła emitowanego przez wzbudzone atomy to rozkład długości fali promieniowania emitowanych lub pochłanianych przez atomy danego pierwiastka. W pierwszym przypadku mówimy o emisyjnym widmie atomowym, w drugim – o absorpcyjnym. Przykładowe widmo emisyjne (ciągłe i liniowe) oraz absorpcyjne przedstawiliśmy na Rys. 1.

RjsYIROLTA63b

Rys. 1. przedstawia kolejno, jedno pod drugim, trzy rodzaje widma: emisyjne ciągłe oraz emisyjne liniowe i absorpcyjne dla tego samego pierwiastka. Z prawej strony umieszczono opisy przedstawianych widm; od góry: widmo liniowe (ciągłe), widmo emisyjne (liniowe) oraz widmo absorpcyjne. Ciągłe widmo emisyjne to wąski poziomy prostokąt, w którym znajdują się wszystkie barwy od czerwonej do fioletowej, przechodzące jedna w drugą w sposób ciągły. Widmo przypomina tęczę. Widmo emisyjne liniowe to również wąski prostokąt, w którym na czarnym tle jest kilka wąskich kolorowych pionowych linii. Widmo absorpcyjne to układ czarnych pionowych kresek na "tęczowym" tle. Miejsca występowania linii – kolorowych w widmie emisyjnym liniowym i – czarnych w widmie absorpcyjnym – są identyczne.

Widma ciągłe, widma dyskretne

Zastanówmy się nad pochodzeniem widm emisyjnych. Ciała mogą emitować promieniowanie ciągłe, zawierające nieskończoną ilość długości fal. Jest to tzw. promieniowanie termiczne – wysyłane przez każde ciało w temperaturze wyższej od zera bezwzględnego. Mogą też istnieć widma emisyjne, złożone jedynie z kilku linii odpowiadających różnym długościom fali. Takie widma nazywamy widmami dyskretnymi. Ta druga sytuacja ma miejsce dla gazów i zachodzi, gdy atomy gazu zostaną wzbudzone – np. przez przyłożenie wysokiego napięcia elektrycznego (tak np. działają lampy neonowe) lub przez oświetlenie gazu innym promieniowaniem.

Rozpoznasz pierwiastek po widmie

Każdy pierwiastek posiada własny układ linii widmowych, charakterystyczny tylko dla niego. Widmo jest więc „odciskiem palca”, świadczącym o obecności danego pierwiastka. Na tej podstawie możemy określać obecność różnych pierwiastków w świecącym gazie, analizując jakie linie są w nim obecne. Przykładowe widma emisyjne dla kilku pierwiastków przedstawiliśmy na Rys. 2.

R1GcYrDLiuc24

Rys. 2. przedstawia kolejno, jedno pod drugim, pięć widm emisyjnych liniowych dla różnych pierwiastków. Z lewej strony umieszczono opisy przedstawianych widm; od góry: wodór, hel, neon, sód i rtęć. Wszystkie widma są w przedstawione w postaci poziomych czarnych prostokątów, w których ułożone są kolorowe wąskie linie rozmieszczone w różny sposób. Widmo wodoru zawiera cztery linie fioletowe, jedną niebieską, jedną jasnoniebieską – skupione w lewej części prostokąta oraz jedną czerwoną – w jego prawej części. Widmo helu jest bardzo podobne do widma wodoru, dodatkowo zawiera linię zieloną i żółtą. W widmie neonu przeważają linie koloru pomarańczowego i czerwonego, skupione w prawej części prostokąta oraz dwie niebieskie (ciemną i jasną) w jego części lewej. Linia jasnozielona i żółta widoczne są w centrum prostokąta. Widmo sodu to trzy linie – turkusowozielona z lewej oraz dwie żółte o różnym natężeniu koloru w centrum prostokąta. W widmie rtęci linie są rozłożone dosyć równomiernie, od lewej: dwie linie fioletowe, jedna ciemnoniebieska, jedna jasnoniebieska, jedna zielona, jedna żółta i blisko prawej części prostokąta dwie linie czerwone.

Metodę analizy widmowej wykorzystujemy np. w astrofizyce. Obserwując widma absorpcyjne dalekich gwiazd, jesteśmy w stanie określić skład. Szukamy wtedy, jakim pierwiastkom odpowiadają długości fali nieobecne w widmie. Wnioskujemy, że zostały one zaabsorbowane przez gaz tworzący daną gwiazdę. Możemy też określać, z jaką prędkością porusza się dana gwiazda – na skutek efektu Dopplera, wszystkie linie widmowe będą przesunięte o pewną wartość, zależną od długości fali oraz prędkości gwiazdy. Wspomnijmy też o innych, już bardziej „przyziemnych” (dosłownie!) zastosowaniach. Jedno z nich to badanie widma różnych źródeł światła i określanie, czy dane oświetlenie jest odpowiednie do komfortowego korzystania. Badanie widma możemy też wykorzystać do identyfikacji składu chemicznego badanej próbki – intensywność promieniowania linii związanych z danym pierwiastkiem jest proporcjonalna do jego ilości w badanym materiale.

Jak uzyskać widmo?

Co musimy zrobić, by doświadczalnie zbadać, z jakich linii składa się poszczególne widmo? Musimy przeprowadzić jego rozkład na poszczególne częstotliwości albo długości fal. Na tym właśnie polega analiza widmowa. Możemy to osiągnąć za pomocą pryzmatu (dzieli światło według częstotliwości) lub siatki dyfrakcyjnej (dzieli światło według długości fali). W pierwszym przypadku wykorzystujemy zjawisko rozszczepienia światła, a drugim – dyfrakcji i interferencji światła. Na Rys. 3. przedstawiamy uproszczony schemat urządzenia zwanego spektrometrem (lub spektroskopem, gdy nie ma możliwości pomiaru kątów), które służy do przeprowadzania analizy widma.

R1KHSWiPMAV7G

Rys. 3. przedstawia uproszczony schemat spektrometru z siatką dyfrakcyjną. Od lewej: dwie pionowe czarne linie, jedna pod drugą, z niewielką wolną przestrzenią między nimi, obrazują szczelinę, przez którą przechodzi światło. Ze szczeliny odchodzi promieniście układ czarnych wąskich linii ze strzałkami obrazującymi promienie biegnącego światła. Promienie padają na soczewkę kolimującą przedstawioną w kształcie pionowej bardzo wąskiej elipsy o barwie jasnoniebieskiej. Skolimowane światło – przedstawione jako układ poziomych czarnych strzałek – pada na przesłonę z siatką dyfrakcyjną. Przesłona zaprezentowana jako dwa pionowe wąskie pomarańczowe prostokąty, pomiędzy którymi linią przerywaną zaznaczono siatkę dyfrakcyjną. Światło wychodzące z siatki przedstawione jest w postaci dosyć szerokich i długich tęczowych strzałek rozchodzących się promieniście od środka siatki. W dolnej części schematu z prawej, umieszczono w kształcie łuku o długości równej jednej czwartej okręgu, turkusowy pasek z układem granatowych kresek obrazujących podziałkę. Łuk stanowi część detektora światła. W jego górnej części znajduje się soczewka i element w kształcie walca przypominający okular mikroskopu. Na schemacie umieszczono oznaczenia poszczególnych elementów, od lewej: Sz – szczelina; Sk – soczewka kolimująca; P+S – przesłona z siatką dyfrakcyjną; D – detektor światła. Zaznaczono również dwa kąty – alfa jeden i alfa dwa oznaczające kąty ugięcia światła po przejściu przez siatkę dyfrakcyjną.

Światło (pochodzące np. od świecącego gazu) pada na szczelinę Sz i biegnie w kierunku soczewki Sk. Szczelina znajduje się w ognisku tej soczewki, w wyniku czego światło po przejściu przez soczewkę porusza się jako wiązka równoległa. Układ szczeliny i soczewki nosi nazwę kolimatora i służy do „uporządkowania” biegu promieni świetlnych. Światło następnie pada na siatkę dyfrakcyjną. To, pod jakim kątem $\alpha$ światło ulegnie wzmocnieniu interferencyjnemu (w skrócie: ulegnie ugięciu), zależy od jego długości fali $\lambda$:

gdzie $n$ = 1, 2, 3… jest rzędem prążka interferencyjnego, $d$ – stałą siatki dyfrakcyjnej. Fale świetlne o różnych długościach uginają się - w obrębie jednego rzędu wzmocnienia interferencyjnego - pod nieco różnymi kątami i dlatego następuje ich separacja. Wyjątkiem jest wzmocnienie rzędu zerowego, zachodzące pod kątem $\alpha =\mathrm{0,}$ w którym taka separacja nie następuje.

Ugięte światło pada następnie na detektor, który na ogół zawiera soczewkę. Detektorem może być matryca CCDMatryca CCDmatryca CCD (jak w cyfrowym aparacie fotograficznym), klisza fotograficzna (tak postępowano dawniej), nasze oko lub ekran. Za pomocą detektora jesteśmy w stanie określić - mierząc  kąt ugięcia - jaka jest długość fali padających promieni. Określamy także ich intensywność, co daje nam pełną informację o widmie padającego promieniowania.

Warto jeszcze przeczytać

Więcej informacji na temat poszczególnych rodzajów widm oraz tego, jak powstają, znajdziesz m.in. w e‑materiałach „Czym widmo absorpcyjne różni się od widma emisyjnego”, „Jak powstają widma absorpcyjne gazów?”, „Powstawanie widm emisyjnych na przykładzie atomu wodoru” oraz „Promieniowanie ciała doskonale czarnegoCiało doskonale czarneciała doskonale czarnego”.

Słowniczek