Widmo emisyjne to promieniowanie elektromagnetyczne (wysyłane przez atomy lub cząsteczki chemiczne) rozszczepione, na przykład w pryzmacie, na poszczególne długości fal. Pojedyncze atomy rozgrzanych gazów emitują widmo liniowe, składające się z oddzielnych linii (Rys. 1.).
R1UPd5SWEnvJB
Atomy gazu wysyłają fale tylko o określonych długościach. Fakt ten związany jest z budową atomu, który składa się z jądra atomowego, które otaczają elektrony. Elektrony są uwięzione w atomie za sprawą odziaływania elektrycznego między dodatnimi ładunkami jądra i ujemnymi ładunkami elektronów. Energie elektronów w atomie mogą przybierać tylko pewne, określone wartości – elektron może znajdować się tylko na dozwolonych poziomach energetycznych. Mówimy, że energia elektronów w atomie jest skwantowanaKwantskwantowana.
Gdy elektron w atomie przeskakuje z wyższego poziomu energetycznego na niższy, atom pozbywa się nadmiaru energii, emitując foton. Energia tego fotonu jest równa różnicy energii atomu w stanie początkowym i końcowym (Rys. 2a.).
Elektron może znaleźć się na wyższym poziomie energetycznym, pochłaniając foton o odpowiedniej energii, równej dokładnie różnicy między poziomem końcowym i początkowym (Rys. 2b.). Elektron przechodzi na wyższy poziom energetyczny skokowo. Zarówno podczas emisji, jak i absorpcji fotonu, energia rozpatrywanego układu jest stała.
RCrn53EUldEtG
A co się stanie, gdy atom oświetlimy fotonami, których energia nie jest równa różnicy między poziomami energetycznymi atomu? Nic się nie stanie, fotony przelecą przez atom, który jest dla nich przezroczysty. Nie mogą być pochłonięte, bo nie istnieje taki stan energetyczny atomu, który byłby stanem końcowym.
Absorpcja to inaczej pochłanianie. Widmo absorpcyjne powstaje, gdy białe światło, o ciągłym widmie, przechodzi przez chłodny gaz. Atomy pochłaniają tylko te fotony, których energie równe są różnicom między stanami energetycznymi atomów, pozostałe fotony przechodzą przez gaz bez zakłóceń. Gdy światło, które przeszło przez gaz, rozszczepimy w pryzmacie, otrzymamy widmo, w którym na ciągłym, kolorowym tle widoczne są ciemne linie. Są to linie widma absorpcyjnego (Rys. 3c).
R1BQTrqDXAgva
Analizując Rys. 3., widzimy, że ciemne linie absorpcyjne helu (Rys. 3c) występują dla tych samych długości fal, co jasne linie emisyjne (Rys. 3a). Długość fali promieniowania związana jest z energią fotonu wzorem
gdzie jest częstotliwością fali, – długością fali, = 3 · 10Indeks górny 88 m/s – prędkością światła, – stałą Plancka równą 6,63 · 10Indeks górny -34-34 J·s lub 4,14 · 10Indeks górny -15-15eVElektronowolt (eV)eV·s.
Jednakowym długościom fal w widmie emisyjnym i absorpcyjnym odpowiadają więc jednakowe energie fotonów emitowanych i pochłanianych przez atomy. Bez względu na to, czy foton jest pochłaniany czy emitowany przez atom, jego energia jest równa różnicy między energiami dozwolonych poziomów energetycznych w atomie. Poziomy energetyczne są charakterystyczne dla każdego atomu. Widmo emisyjne i absorpcyjne jest „kodem paskowym” pierwiastka. Analizując widma promieniowania pochodzącego z odległych obiektów (np. Słońca, gwiazd, galaktyk), możemy określić ich skład chemiczny.
Już w 1814 roku niemiecki fizyk Fraunhofer odkrył linie absorpcyjne w widmie światła słonecznego (Rys. 4.). Od jego nazwiska nazywamy je liniami Fraunhofera. Nie znał on mechanizmu powstawania tych linii, bo budowa atomu została poznana dopiero na początku XX wieku. Fraunhofer wyznaczył długości fal linii absorpcyjnych i oznaczył je literami alfabetu. Każda z linii absorpcyjnych wskazuje na obecność w atmosferze słonecznej (lub ziemskiej) jakiegoś pierwiastka. W ten sposób odkryto, że w atmosferze słonecznej występuje hel, zanim stwierdzono jego obecność w atmosferze ziemskiej.
R1D4aUwqODC1S
Słowniczek
Elektronowolt (eV)
Elektronowolt (eV)
(ang. electronvolt) – jednostka energii spoza układu SI używana w fizyce mikroświata. 1 eV to energia, jaką uzyskuje elektron przyspieszany w polu elektrycznym o różnicy potencjałów równej 1 wolt. 1 eV = 1,6 · 10Indeks górny -19-19 J.
Kwant
Kwant
(ang. quantum) – najmniejsza porcja danej wielkości fizycznej, ew. cząstka elementarna odpowiadająca danemu polu po procedurze kwantyzacji. W tym drugim znaczeniu foton jest kwantem pola elektromagnetycznego.