Spektrális vonal
Ahogy spektrális vonalak vagy rezonancia vonalak, élesen elkülönülő vonalak egy spektrumát kibocsátott ( emissziós vonalak ) vagy abszorbeált ( abszorpciós vonalak ) az elektromágneses hullámok , a szűkebb értelemben vett belül hullámhossz tartományban a látható fény ( fény spektrumát ). A spektrális vonalakat a hullámhossz , a vonal intenzitása és a vonal szélessége jellemzi . Az ok a spektrális vonalak a fény gerjesztett elektronikus átmenetek aAtomok vagy molekulák .
A spektrális vonal neve történelmileg arra a tényre vezethető vissza, hogy a hagyományos spektrométerekben van egy bejárati rés, amelynek alakja a képernyőn vagy a szemlélő szemében tükröződik. A nevet később a csúcsokra (azaz a maximumokra) is átvitték egy spektrumban, amelyet intenzitásgörbeként rögzítettek.
Spektrális vonalak előfordulnak műszeres atomspektroszkópia (mint például a mágneses magrezonancia-spektroszkópia ) vagy láng elszíneződés . Többek között a csillagászatban használják a csillagok , a bolygók és a csillagközi anyag molekuláris szerkezetének elemzésére , amely egyébként lehetetlen lenne. A XIX. Században felfedezett prizmán keresztül a fény fénytörésében voltak , amelyekből aztán olyan spektroszkópok alakultak ki, amelyek széles spektrumú alkalmazási területet tesznek lehetővé a spektrális elemzéshez .
Alapok
A spektrális vonal egy pontosan meghatározott frekvenciájú fény, amelyet egy atom vagy molekula bocsát ki (bocsát ki) vagy abszorbeál (abszorbeál) az egyik energiaszintről a másikra történő átmenet miatt . A frekvencia határozza meg energiája a kibocsátott vagy elnyelt foton ; ez megegyezik a két kvantummechanikai állapot energiájának különbségével . A frekvencia jellemző az adott atomtípus ezen átmenetére. Ezért meg lehet különböztetni az atomtípusokat a spektrális vonalak megfigyelésével.
Kibocsátási vonal
Az emissziós vonal fényvonalként jelenik meg a spektrumban. A magasabb és az alacsonyabb energiaszint közötti átmenet során keletkezik , például amikor egy elektron gerjesztett állapotból az alapállapotba kerül . Itt fotont bocsátanak ki. Ez történhet spontán módon ( spontán emisszió ), vagy például. B. lézerrel , megfelelő frekvenciájú fény ( stimulált emisszió ) gerjeszti .
Abszorpciós vonal
Ha a fényt folyamatos spektrummal (azaz frekvenciakeverékkel) besugározzuk, a megfelelő frekvenciájú fotonok rezonanciaelnyelése abszorpciós vonalat eredményez , amelyben egy alacsonyabb és magasabb energiaszint közötti átmenet indukálódik - például amikor egy elektron áthalad a fotonon keresztül a vegyérték sávból a Vezetési sávba "felemelkedik" (lásd fotoelektromos hatás ).
Amikor esik vissza a alacsonyabb energiaszintre, fotonok válik izotróp , i. H. bármilyen irányban, kibocsátott.
Mindkettő oda vezet, hogy a fény diffúzan szétszóródik az ilyen frekvencián besugárzott anyaggal . Amíg van elegendő abszorbeáló atom, ez létrejön
- sötét vonal az átsugárzó fény folyamatos spektrumában ( Fraunhofer-vonal ); általában ezt kell érteni az abszorpciós vonal kifejezés alatt
- világos vonal sötét háttér előtt, amikor a gáz oldaláról kilépő szétszórt fényt elemezzük; ezt a típusú fényvezetéket a történelmi terminológia miatt nem nevezik emissziós vonalnak ; A vonalakra csak akkor hivatkozunk, ha a gerjesztést nem azonos frekvenciájú fény váltotta ki .
Kibocsátási profilok
A spektrális vonal fénye nem tartalmaz egyetlen, élesen meghatározott frekvenciát, hanem (keskeny) frekvenciatartományt tartalmaz. A fél szélességét ez a terület a vonalvastagság . Az emissziós vonal vonalszélességét számos tényező alkotja:
- Lorentz profil
- A természetes vonal szélessége eredményeket a élettartama a kezdeti állapot a Heisenberg bizonytalansági elv . Ennek Lorentz-görbe alakja van . Ezt nem lehet csökkenteni.
- Gauss-profil
- Az atomok hőmozgása olyan Doppler-hatást eredményez, amely a fényt az egyes atomokról vagy molekulákról vörösre vagy kékre tolja, a mozgás irányától függően. A statisztikai mozgás szélesebb frekvenciaeloszlást eredményez. Ezt a hatást Doppler-szélesítésnek nevezzük . Gauss-görbe alakú, és függ a hőmérséklettől . Általában a Doppler-szélesség egyértelműen dominál a természetes vonalvastagság felett. A mechanizmus is ismert kifejezés alá inhomogén vonalszélesítést .
- Voigt profil
- A mérés alatt, a Lorentz görbe véges szélességű tűnik, megváltozott annak ismert formája, ha a berendezés funkcióját a mérési elrendezés egy fél szélessége a nagyságrendben a Lorentz görbe vizsgált. A vonal alakja ezután leírható a Lorentz-görbe konvolúciójával és a készülék funkciójával. Ha a készülék funkciója Gauss-görbe, akkor a konvolúció eredményét Voigt-profilnak nevezzük .
történelem
Az abszorpciós vonalakat először 1802-ben fedezte fel William Hyde Wollaston , 1814-ben pedig tőle függetlenül Joseph von Fraunhofer a nap spektrumában . Ezeket a nap spektrum sötét vonalait Fraunhofer vonalaknak is nevezzük .
A spektrális vonalak - egyéb hatások mellett - hozzájárultak a kvantummechanika fejlődéséhez . A klasszikus elektrodinamika szerint az atomba kötött elektron bármilyen frekvenciájú elektromágneses hullámot bocsáthat ki; a diszkrét vonalak megléte nem volt magyarázható klasszikusan. A felfedezés, hogy a frekvenciák a spektrális vonalak a hidrogénatom is arányos kifejeződése formájában egész számokkal és vezetett a koncepció a kvantum számát és végül hozta Niels Bohr az ő Bohr atom modell , az első - elavult - kvantummechanikai atommodell. A modern kvantummechanika nagyon nagy pontossággal képes megjósolni az atomok spektrális vonalait.
irodalom
- Heinz Haferkorn : Optika. Fizikai-műszaki alapok és alkalmazások. 4. kiadás, Wiley-VCH 2003, ISBN 3-527-40372-8
- Ingolf Volker Hertel , Claus-Peter Schulz: atomok, molekulák és optikai fizika 1 . Springer 2008, ISBN 978-3-540-30617-7
- Peter M. Skrabal: Spektroszkópia , vdf Verlag, 2009, ISBN 978-3-8252-8355-1