Спектр излучения химического элемента или химического соединения представляет собой спектр частот электромагнитного излучения , испускаемого в результате перехода электронов из состояния с высокой энергией в состояние с более низкой энергией. Энергия фотонов испускаемых фотонов равна разнице энергий между двумя состояниями. Существует множество возможных электронных переходов для каждого атома, и каждый переход имеет определенную разность энергий. Этот набор различных переходов, приводящих к различным длинам волн излучения , составляет спектр излучения. Спектр излучения каждого элемента уникален. Поэтому спектроскопию можно использовать для идентификации элементов в веществе неизвестного состава. Аналогично спектры излучения молекул можно использовать в химическом анализе веществ.
В физике эмиссия — это процесс, посредством которого квантово-механическое состояние частицы с более высокой энергией преобразуется в более низкое посредством испускания фотона , что приводит к рождению света . Частота испускаемого света является функцией энергии перехода.
Поскольку энергия должна сохраняться, разница энергий между двумя состояниями равна энергии, переносимой фотоном. Энергетические состояния переходов могут приводить к излучению в очень большом диапазоне частот. Например, видимый свет испускается при соединении электронных состояний в атомах и молекулах (тогда это явление называется флуоресценцией или фосфоресценцией ). С другой стороны, ядерные оболочечные переходы могут испускать гамма-лучи высокой энергии , в то время как ядерные спиновые переходы испускают радиоволны низкой энергии .
Излучательная способность объекта количественно определяет, сколько света он излучает. Это может быть связано с другими свойствами объекта через закон Стефана-Больцмана . Для большинства веществ количество излучения изменяется в зависимости от температуры и спектрального состава объекта, что приводит к появлению цветовой температуры и линий излучения . Точные измерения на многих длинах волн позволяют идентифицировать вещество с помощью эмиссионной спектроскопии .
Эмиссия излучения обычно описывается с помощью полуклассической квантовой механики: энергетические уровни и расстояния между частицами определяются из квантовой механики , а свет рассматривается как осциллирующее электрическое поле, которое может управлять переходом, если оно находится в резонансе с собственной частотой системы. Задача квантовой механики рассматривается с помощью зависящей от времени теории возмущений и приводит к общему результату, известному как золотое правило Ферми . Описание было заменено квантовой электродинамикой , хотя полуклассическая версия продолжает быть более полезной в большинстве практических вычислений.
Когда электроны в атоме возбуждаются, например, при нагревании, дополнительная энергия толкает электроны на более высокие энергетические орбитали. Когда электроны падают обратно и покидают возбужденное состояние, энергия повторно излучается в форме фотона . Длина волны (или, что то же самое, частота) фотона определяется разницей в энергии между двумя состояниями. Эти излученные фотоны формируют спектр элемента.
Тот факт, что в спектре атомной эмиссии элемента появляются только определенные цвета, означает, что излучаются только определенные частоты света. Каждая из этих частот связана с энергией формулой: где — энергия фотона, — его частота , — постоянная Планка . Это делает вывод, что атом излучает только фотоны с определенными энергиями. Принцип спектра атомной эмиссии объясняет различные цвета в неоновых вывесках , а также результаты химического испытания пламени (описанные ниже).
Частоты света, которые может испускать атом, зависят от состояний, в которых могут находиться электроны. При возбуждении электрон переходит на более высокий энергетический уровень или орбиталь. Когда электрон падает обратно на свой основной уровень, излучается свет.
На рисунке выше показан спектр излучения видимого света для водорода . Если бы присутствовал только один атом водорода, то в данный момент наблюдалась бы только одна длина волны. Несколько возможных излучений наблюдаются, поскольку образец содержит много атомов водорода, которые находятся в разных начальных энергетических состояниях и достигают разных конечных энергетических состояний. Эти разные комбинации приводят к одновременным излучениям на разных длинах волн.
Помимо электронных переходов, обсуждавшихся выше, энергия молекулы может также изменяться посредством вращательных , колебательных и вибронных (комбинированных колебательных и электронных) переходов. Эти энергетические переходы часто приводят к близко расположенным группам множества различных спектральных линий , известных как спектральные полосы . Неразрешенные полосовые спектры могут выглядеть как спектральный континуум.
Свет состоит из электромагнитного излучения с различной длиной волны. Поэтому, когда элементы или их соединения нагреваются либо в пламени, либо электрической дугой, они излучают энергию в форме света. Анализ этого света с помощью спектроскопа дает нам прерывистый спектр. Спектроскоп или спектрометр — это прибор, который используется для разделения компонентов света, имеющих различные длины волн. Спектр появляется в виде серии линий, называемых линейчатым спектром. Этот линейчатый спектр называется атомным спектром, когда он исходит от атома в элементарной форме. Каждый элемент имеет различный 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 различен для каждого элемента периодической таблицы . Одним из примеров является астрономическая спектроскопия : определение состава звезд путем анализа полученного света. Характеристики спектра излучения некоторых элементов ясно видны невооруженным глазом, когда эти элементы нагреваются. Например, когда платиновую проволоку окунают в раствор нитрата натрия, а затем вставляют в пламя, атомы натрия излучают янтарно-желтый цвет. Аналогично, когда индий вставляют в пламя, пламя становится синим. Эти определенные характеристики позволяют идентифицировать элементы по их атомному спектру излучения. Не все испускаемые лучи видны невооруженным глазом, поскольку спектр также включает ультрафиолетовые лучи и инфракрасное излучение. Спектр излучения образуется, когда возбужденный газ рассматривается непосредственно через спектроскоп.
Эмиссионная спектроскопия — это спектроскопический метод, который исследует длины волн фотонов , испускаемых атомами или молекулами при их переходе из возбужденного состояния в состояние с более низкой энергией. Каждый элемент испускает характерный набор дискретных длин волн в соответствии со своей электронной структурой , и, наблюдая эти длины волн, можно определить элементный состав образца. Эмиссионная спектроскопия была разработана в конце 19 века, и попытки теоретического объяснения спектров атомной эмиссии в конечном итоге привели к появлению квантовой механики .
Существует много способов, с помощью которых атомы могут быть приведены в возбужденное состояние. Взаимодействие с электромагнитным излучением используется в флуоресцентной спектроскопии , протонами или другими более тяжелыми частицами в рентгеновской эмиссии, индуцированной частицами , и электронами или рентгеновскими фотонами в энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии или рентгеновской флуоресценции . Самый простой метод — нагреть образец до высокой температуры, после чего возбуждения производятся столкновениями между атомами образца. Этот метод используется в пламенной эмиссионной спектроскопии , и это был также метод, который использовал Андерс Йонас Ангстрем, когда он открыл явление дискретных линий излучения в 1850-х годах. [1]
Хотя линии излучения вызваны переходом между квантованными энергетическими состояниями и на первый взгляд могут выглядеть очень резкими, они имеют конечную ширину, т. е. состоят из более чем одной длины волны света. Это спектральное расширение линии имеет много разных причин.
Эмиссионную спектроскопию часто называют оптической эмиссионной спектроскопией из-за световой природы испускаемого ею вещества.
В 1756 году Томас Мелвилл наблюдал излучение различных цветовых узоров при добавлении солей в пламя спирта . [2] К 1785 году Джеймс Грегори открыл принципы дифракционной решетки, а американский астроном Дэвид Риттенхаус создал первую спроектированную дифракционную решетку . [3] [4] В 1821 году Йозеф фон Фраунгофер закрепил этот значительный экспериментальный скачок, заменив призму в качестве источника дисперсии длин волн, улучшив спектральное разрешение и позволив количественно оценить дисперсионные длины волн. [5]
В 1835 году Чарльз Уитстон сообщил, что различные металлы можно различить по ярким линиям в спектрах излучения их искр , тем самым представив альтернативу пламенной спектроскопии. [6] [7] В 1849 году Дж. Б. Л. Фуко экспериментально продемонстрировал, что линии поглощения и излучения на одной и той же длине волны обусловлены одним и тем же материалом, а разница между ними обусловлена температурой источника света. [8] [9] В 1853 году шведский физик Андерс Йонас Ангстрем представил наблюдения и теории о спектрах газа. [10] Ангстрем постулировал, что раскаленный газ испускает светящиеся лучи той же длины волны, что и те, которые он может поглощать. В то же время Джордж Стокс и Уильям Томсон (Кельвин) обсуждали похожие постулаты. [8] Ангстрем также измерил спектр излучения водорода, позже названный линиями Бальмера . [11] [12] В 1854 и 1855 годах Дэвид Альтер опубликовал наблюдения спектров металлов и газов, включая независимое наблюдение бальмеровских линий водорода. [13] [14]
К 1859 году Густав Кирхгоф и Роберт Бунзен заметили, что несколько линий Фраунгофера (линий в солнечном спектре) совпадают с характерными линиями излучения, идентифицированными в спектрах нагретых элементов. [15] [16] Был сделан правильный вывод, что темные линии в солнечном спектре вызваны поглощением химическими элементами в солнечной атмосфере . [17]
Раствор, содержащий соответствующее вещество для анализа, втягивается в горелку и распыляется в пламени в виде мелкодисперсного спрея. Сначала испаряется растворитель, оставляя мелкодисперсные твердые частицы, которые перемещаются в самую горячую область пламени, где в результате диссоциации молекул образуются газообразные атомы и ионы . Здесь электроны возбуждаются, как описано выше, и спонтанно испускают фотон, чтобы распасться на более низкие энергетические состояния. Обычно для облегчения обнаружения используют монохроматор .
На простом уровне спектроскопию эмиссии пламени можно наблюдать, используя только пламя и образцы солей металлов. Этот метод качественного анализа называется испытанием пламени . Например, соли натрия , помещенные в пламя, будут светиться желтым цветом от ионов натрия, в то время как ионы стронция (используются в дорожных факелах) окрашивают его в красный цвет. Медная проволока создаст синее пламя, однако в присутствии хлорида дает зеленый цвет (молекулярный вклад CuCl).
Коэффициент излучения — это коэффициент выходной мощности в единицу времени электромагнитного источника, расчетное значение в физике . Коэффициент излучения газа изменяется в зависимости от длины волны света. Он имеет единицу измерения м⋅с −3 ⋅ср −1 . [18] Он также используется как мера выбросов в окружающую среду (по массе) на МВт⋅ч произведенной электроэнергии , см.: Коэффициент излучения .
При томсоновском рассеянии заряженная частица испускает излучение под действием падающего света. Частица может быть обычным атомным электроном, поэтому коэффициенты излучения имеют практическое применение.
Если X dV d Ω dλ — энергия, рассеянная элементом объема dV в телесный угол d Ω между длинами волн λ и λ + dλ за единицу времени, то коэффициент излучения равен X.
Значения X в томсоновском рассеянии можно предсказать на основе падающего потока, плотности заряженных частиц и их томсоновского дифференциального сечения (площадь/телесный угол).
Теплое тело, испускающее фотоны, имеет коэффициент монохроматической эмиссии, связанный с его температурой и полной мощностью излучения. Иногда его называют вторым коэффициентом Эйнштейна , и его можно вывести из квантово-механической теории .
