To ciekawe

Czy wiesz, że hel – lekki gaz wypełniający baloniki - został odkryty w atmosferze Słońca podczas analizy widma absorpcyjnego światła słonecznego? Czym jest widmo absorpcyjne i jak wykorzystuje się je do badania składu odległych obiektów, dowiesz się z tego e‑materiału.

Rljf9wydFfeWf

Zdjęcie poglądowe przedstawia kilka baloników uwiązanych na sznurkach na tle błękitnego pogodnego nieba. Balony są w kolorze czerwonym, zielonym i żółtym.

Warto przeczytać

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

Rys. 1. Na rysunku jest wąski, położony poziomo ciemny prostokąt. Na prostokącie są 4 pionowe linie. Z lewej strony jest linia fioletowa z napisem 410 nanometrów, obok niej z prawej strony linia niebieska napisem 434 nanometry. Pośrodku prostokąta jest linia zielona napisem 485 nanometrów. Z prawej strony linia czerwona napisem 656 nanometrów.

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

Rys. 2. Ilustracja przedstawia dwa rysunki.
Rys. 2a. na rysunku jest pionowa oś skierowana do góry, na której są odłożone wartości energii elektronu w atomie wodoru. Oś oznaczona jest literą duże E. Na dole osi odchodzi od niej w prawo linia pozioma, przy której jest oznaczenie energii elektronu duże E z indeksem dolnym małe k. Wyżej jest podobna pozioma linia z oznaczeniem energii elektronu duże E z indeksem dolnym małe n. Linie te symbolizują dwa dozwolone stany energetyczne elektronu w atomie. Od górnej linii do dolnej narysowana jest pionowa strzałka skierowana w dół. Obok z prawej strony jest falista linia ze strzałką skierowaną w prawo, która symbolizuje lecący foton. Pod nią jest napis: emisja fotonu o energii duże E z indeksem dolnym małe f równa się duże E z indeksem dolnym małe n minus duże E z indeksem dolnym małe k.
Rys. 2b. Na rysunku jest pionowa oś skierowana do góry, na której są odłożone wartości energii elektronu w atomie wodoru. Oś oznaczona jest literą duże E. Na dole osi odchodzi od niej w prawo linia pozioma, przy której jest oznaczenie energii elektronu duże E z indeksem dolnym małe k. Wyżej jest podobna pozioma linia z oznaczeniem energii elektronu duże E z indeksem dolnym małe n. Linie te symbolizują dwa dozwolone stany energetyczne elektronu w atomie. Od dolnej linii do górnej narysowana jest pionowa strzałka skierowana w górę. Obok z prawej strony jest falista linia ze strzałką skierowaną w lewo, która symbolizuje lecący foton. Pod nią jest napis: pochłonięcie fotonu o energii duże E z indeksem dolnym małe f równa się duże E z indeksem dolnym małe n minus duże E z indeksem dolnym małe k.

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

Rys. 3. Rysunek składa się z trzech jednakowych, wąskich, położonych poziomo prostokątów, leżących jeden nad drugim.
Rys. a. Prostokąt górny. Na ciemnym prostokącie są pionowe barwne linie. W środkowej części są cztery linie niebieskie i zielone, z prawej strony jedna linia żółta, a jeszcze dalej z prawej dwie linie czerwone.
Rys. b. Prostokąt środkowy. Prostokąt ma wszystkie barwy tęczy przechodzące jedna w drugą. Od lewej strony jest fioletowy, dalej niebieski, zielony, żółty, pomarańczowy i od strony prawej czerwony.
Rys. c. Prostokąt dolny. Tło prostokąta ma wszystkie barwy tęczy przechodzące jedna w drugą. Od lewej strony jest fioletowy, dalej niebieski, zielony, żółty, pomarańczowy i od strony prawej czerwony. Na tym tle są pionowe, czarne linie w tych samych położeniach, co barwne linie na rysunku 3a.

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 $f$ jest częstotliwością fali, $\lambda$ – długością fali, $c$ = 3 · 10Indeks górny 8⁸ m/s – prędkością światła, $h$ – 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

Rys. 4. Na rysunku jest wąski, położony poziomo prostokąt. Tło prostokąta ma wszystkie barwy tęczy przechodzące jedna w drugą. Od lewej strony jest fioletowy, dalej niebieski, zielony, żółty, pomarańczowy i od strony prawej czerwony. Na tym tle jest wiele grubszych i cieńszych, czarnych linii.

Słowniczek