Что такое эмиссионный спектр?

Спектр излучения - это электромагнитное излучение (ЭМИ), например, видимый свет, излучаемый веществом. Каждый элемент выделяет уникальный отпечаток света, поэтому анализ частот этого света помогает идентифицировать химическое вещество, которое его породило. Эта процедура называется эмиссионной спектроскопией и является очень полезным научным инструментом. Он используется в астрономии для изучения элементов, присутствующих в звездах и в химическом анализе.

Электромагнитное излучение может быть описано в терминах его длины волны - расстояния между гребнями волн или его частоты - количества гребней, которые проходят за данный промежуток времени. Чем выше энергия излучения, тем короче его длина волны и тем выше его частота. Например, синий свет имеет более высокую энергию и, следовательно, более высокую частоту и меньшую длину волны, чем красный свет.

Типы спектров

Существует два типа спектра излучения. Непрерывный тип содержит много частот, сливающихся друг с другом без пропусков, в то время как тип линии содержит только несколько отдельных частот. Горячие объекты создают непрерывный спектр, в то время как газы могут поглощать энергию, а затем излучать ее на определенных конкретных длинах волн, образуя спектр линии излучения. Каждый химический элемент имеет свою уникальную последовательность линий.

Как создается непрерывный спектр

Относительно плотные вещества, когда они становятся достаточно горячими, излучают свет на всех длинах волн. Атомы относительно близко друг к другу, и, когда они получают энергию, они движутся все больше и сталкиваются друг с другом, что приводит к широкому диапазону энергий. Таким образом, спектр состоит из ЭМИ в очень широком диапазоне частот. Количество излучения на разных частотах зависит от температуры. Железный гвоздь, нагретый в пламени, изменится от красного к желтому и белому при повышении температуры и будет излучать все большее количество излучения на более коротких волнах.

Радуга - пример непрерывного спектра, производимого Солнцем. Капли воды действуют как призмы, разделяя солнечный свет на различные длины волн.

Непрерывный спектр полностью определяется температурой объекта, а не его составом. Фактически, цвета могут быть описаны с точки зрения температуры. В астрономии цвет звезды показывает ее температуру, причем голубые звезды намного жарче, чем красные.

Как элементы производят линии излучения

Линейный спектр создается газом или плазмой, где атомы находятся достаточно далеко друг от друга, чтобы не оказывать прямого влияния друг на друга Электроны в атоме могут существовать на разных уровнях энергии. Когда все электроны в атоме находятся на самом низком энергетическом уровне, говорят, что атом находится в своем основном состоянии . Поскольку он поглощает энергию, электрон может перейти на более высокий энергетический уровень. Однако рано или поздно электрон вернется на свой самый низкий уровень, а атом - в его основное состояние, испуская энергию в виде электромагнитного излучения.

Энергия ЭМИ соответствует разности энергий между высшим и нижним состояниями электрона. Когда электрон падает из состояния с высокой энергией в низкую, размер скачка определяет частоту испускаемого излучения. Синий свет, например, указывает на большее падение энергии, чем красный свет.

Каждый элемент имеет свое расположение электронов и возможные уровни энергии. Когда электрон поглощает излучение определенной частоты, он позже излучает излучение с той же частотой: длина волны поглощенного излучения определяет начальный скачок уровня энергии и, следовательно, возможный скачок обратно в основное состояние. Из этого следует, что атомы любого данного элемента могут излучать излучение только на определенных длинах волн, образуя уникальный для этого элемента рисунок.

Наблюдение за спектрами

Инструмент, известный как спектроскоп или спектрометр, используется для наблюдения спектров излучения. Он использует призму или дифракционную решетку для разделения света, а иногда и других форм ЭМИ, на их различные частоты. Это может дать непрерывный или линейный спектр, в зависимости от источника света.

Спектр излучения линий представлен в виде серии цветных линий на темном фоне. Отметив положение линий, спектроскопист может обнаружить, какие элементы присутствуют в источнике света. Спектр излучения водорода, простейшего элемента, состоит из серии линий в красном, синем и фиолетовом диапазонах видимого света. Другие элементы часто имеют более сложные спектры.

Испытания на пламя

Некоторые элементы излучают свет в основном только одного цвета. В этих случаях можно определить элемент в образце, выполнив испытание на пламя . Это включает нагревание образца в пламени, в результате чего он испаряется и испускает излучение с характерными частотами и дает ясно видимый цвет пламени. Элемент натрия, например, дает сильный желтый цвет. Многие элементы могут быть легко идентифицированы таким образом.

Молекулярные спектры

Цельные молекулы могут также создавать спектры излучения, которые являются результатом изменений в том, как они вибрируют или вращаются. Они включают в себя более низкие энергии и имеют тенденцию производить излучения в инфракрасной части спектра. Астрономы идентифицировали множество интересных молекул в космосе с помощью инфракрасной спектроскопии, и этот метод часто используется в органической химии.

Спектры поглощения

Важно различать спектры излучения и поглощения. В спектре поглощения некоторые длины волны света поглощаются при прохождении через газ, образуя узор темных линий на непрерывном фоне. Элементы поглощают те же длины волн, которые излучают, поэтому их можно использовать для их идентификации. Например, свет от Солнца, проходящий через атмосферу Венеры, производит спектр поглощения, который позволяет ученым определять состав атмосферы планеты.