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.

Kisnyomású kadmium gőzlámpa spektruma, felső kép 256 pixeles vonalérzékelővel , alsó kép kamerával

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

Folyamatos fényspektrum spektrális vonalak nélkül

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

Kibocsátási vonalak

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

Abszorpciós vonalak
A H 2 O gáz rezonanciaelnyelése 1519 nm-en

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

web Linkek

Commons : Spectral Lines  - képek, videók és hangfájlok gyűjteménye