Кіріспе
Атомдар немесе химиялық қосылыстар шығаратын жарық жиіліктері. Химиялық элементтің немесе химиялық қосылыстың эмиссиялық спектрі – электрондардың жоғары энергиялық күйден төмен энергиялық күйге өтуі нәтижесінде пайда болатын электромагниттік сәулелену жиіліктерінің спектрі. Шығарылған фотондардың энергиясы екі күй арасындағы энергия айырмасына тең. Әрбір атом үшін көптеген электрондық өтулер мүмкін, және әр өтудің өзіндік энергия айырмашылығы болады. Осы әртүрлі өтулердің жиынтығы әртүрлі сәулелену толқын ұзындықтарын тудырады, осылар эмиссиялық спектрді құрайды. Әр элементтің эмиссиялық спектрі бірегей. Сондықтан спектроскопияны белгісіз құрамы бар заттардағы элементтерді анықтау үшін қолдануға болады. Сол сияқты, молекулалардың эмиссиялық спектрлерін заттардың химиялық талдауында пайдалануға болады.
The emission spectrum of a chemical element or chemical compound is the spectrum of frequencies of electromagnetic radiation emitted due to electrons making a transition from a high energy state to a lower energy state. The photon energy of the emitted photons is equal to the energy difference between the two states. There are many possible electron transitions for each atom, and each transition has a specific energy difference. This collection of different transitions, leading to different radiated wavelengths, make up an emission spectrum. Each element's emission spectrum is unique. Therefore, spectroscopy can be used to identify elements in matter of unknown composition. Similarly, the emission spectra of molecules can be used in chemical analysis of substances.
Шығару
Физикада эмиссия – фотондардың шығарылуы арқылы бөлшектің жоғары энергиялы кванттық механикалық күйінің төменгі күйге өтуі, нәтижесінде жарық туындату процесі. Шығарылған жарықтың жиілігі, өту энергиясының функциясы болып табылады. Энергия сақталу принципіне сәйкес, екі күй арасындағы энергия айырмасы, фотонмен алынып кеткен энергияға тең. Өтулердің энергиялық деңгейлері, өте кең жиілік диапазонында эмиссияға алып келуі мүмкін. Мысалы, көрінетін жарық, атомдар мен молекулалардағы электрондық деңгейлердің байланысуы арқылы шығарылады (мұндай құбылыс флуоресценция немесе фосфоресценция деп аталады). Ал, ядролық қабықша өтулері жоғары энергиялы гамма-сәулелерін, ал ядролық спиндік өтулер төмен энергиялы радиотолқындарды шығарады. Объектінің эмиссиясы, оның қанша жарық шығаратынын көрсетеді. Бұл, Стефан-Болцман заңы арқылы объектінің басқа да қасиеттерімен байланысты болуы мүмкін. Көптеген заттар үшін эмиссия мөлшері температураға және объектінің спектроскопиялық құрамына байланысты өзгереді, бұл түс температурасы мен эмиссиялық сызықтардың пайда болуына себеп болады. Көптеген толқын ұзындықтарындағы нақты өлшемдер, эмиссиялық спектроскопия арқылы затты анықтауға мүмкіндік береді. Сәулеленудің эмиссиясы әдетте жартылай классикалық кванттық механика арқылы сипатталады: бөлшектің энергия деңгейлері мен аралықтары кванттық механикадан анықталады, ал жарық, жүйенің өзіндік жиілігімен резонанста болғанда өтуді туындата алатын тербелісті электр өрісі ретінде қарастырылады. Кванттық механика мәселесі, уақытқа тәуелді бұзылыс теориясын қолдану арқылы қарастырылады және Фермидің алтын ережесі деп белгілі жалпы нәтижеге әкеледі. Бұл сипаттама кванттық электродинамикамен ығыстырылды, бірақ жартылай классикалық нұсқасы көптеген практикалық есептеулерде тиімді болып қала береді.
Шығу тегі
Атомдағы электрондар қозған кезде, мысалы, қыздыру арқылы, қосымша энергия электрондарды жоғары энергиялы орбитальдарға итеріп жібереді. Электрондар қозған күйден төмен түскенде, энергия фотон түрінде қайта шығарылады. Фотонның толқын ұзындығы (немесе, эквивалентті түрде, жиілігі) екі күй арасындағы энергия айырмашылығымен анықталады. Бұл шығарылған фотондар элементтің спектрін құрайды. Элементтің атомдық эмиссия спектрінде тек белгілі бір түстердің ғана пайда болуы, тек белгілі бір жарық жиіліктерінің шығарылатынын білдіреді. Бұл жиіліктердің әрқайсысы энергиямен мына формула арқылы байланысты: , мұнда – фотонның энергиясы, – оның жиілігі, ал – Планк тұрақтысы. Осыдан атом тек белгілі бір энергиясы бар фотондарды ғана шығарады деген қорытынды шығады. Атомдық эмиссия спектрінің принципі неон шамдарындағы түрлі түстерді, сондай-ақ химиялық жалын сынағының нәтижелерін түсіндіреді (төменде сипатталған). Атом шығаратын жарық жиілігі электрондардың қандай күйде болуына байланысты. Қозған кезде электрон жоғары энергетикалық деңгейге немесе орбитальға көтеріледі. Электрон негізгі деңгейге түскенде жарық шығарылады. Жоғарыдағы суретте сутегінің көрінетін жарық эмиссия спектрі көрсетілген. Егер тек бір сутек атомы болса, онда белгілі бір сәтте тек бір толқын ұзындығы байқалады. Мүмкін болатын бірнеше эмиссиялар байқалады, себебі үлгіде әртүрлі бастапқы энергия күйіндегі және әртүрлі соңғы энергия күйіне жететін көптеген сутек атомдары бар. Бұл әртүрлі комбинациялар әртүрлі толқын ұзындықтарында бір мезгілде сәуле шығаруға әкеледі.
where is the energy of the photon, is its frequency, and is Planck's constant. This concludes that only photons with specific energies are emitted by the atom. The principle of the atomic emission spectrum explains the varied colors in neon signs, as well as chemical flame test results (described below). The frequencies of light that an atom can emit are dependent on states the electrons can be in. When excited, an electron moves to a higher energy level or orbital. When the electron falls back to its ground level the light is emitted. The above picture shows the visible light emission spectrum for hydrogen. If only a single atom of hydrogen were present, then only a single wavelength would be observed at a given instant. Several of the possible emissions are observed because the sample contains many hydrogen atoms that are in different initial energy states and reach different final energy states. These different combinations lead to simultaneous emissions at different wavelengths.
Молекулалардан сәулелену
Жоғарыда талқыланған электрондық ауысулардан өзге, молекуланың энергиясы айналу, дірілдеу және виброникалық (дірілдеу және электрондық) ауысулар арқылы да өзгеруі мүмкін. Мұндай энергиялық ауысулар көбінесе спектрлік жолақтар деп аталатын көптеген әртүрлі спектрлік сызықтардың жақын орналасқан топтарына алып келеді. Ажыратылмаған жолақты спектрлер спектрлік континуум түрінде көрінуі мүмкін.
Эмиссиялық спектроскопия
Жарық - түрлі толқын ұзындығы бар электромагниттік сәулеленуден тұрады. Сондықтан элементтер немесе олардың қосылыстары отта немесе электрлік дугада қыздырылған кезде энергияны жарық түрінде шығарады. Бұл жарықты спектроскоп арқылы талдау үзіліссіз спектрді береді. Спектроскоп немесе спектрометр - түрлі толқын ұзындығы бар жарық компоненттерін ажыратуға қолданылатын құрал. Спектр сызықтық спектр деп аталатын сызықтар тізбегі түрінде көрінеді. Элементтік күйдегі атомнан пайда болғанда, бұл сызықтық спектр атомдық спектр деп аталады. Әр элементтің атомдық спектрі өзгеше. Элемент атомдарының сызықтық спектрлерді шығаруы, атомның белгілі бір мөлшердегі энергияны ғана сәулелендіре алатынын көрсетеді. Бұл, байланысқан электрондарда кез келген энергия мөлшері болмайды, тек белгілі бір энергия мөлшері ғана болады деген қорытындыға әкеледі. Материалдың құрамын анықтау үшін эмиссия спектрін пайдалануға болады, себебі ол периодтық жүйедегі әрбір элемент үшін әртүрлі. Мысалы, астрономиялық спектроскопия: алынған жарықты талдау арқылы жұлдыздардың құрамын анықтау. Кейбір элементтердің эмиссиялық спектрлік қасиеттері осы элементтер қыздырылғанда қалың көзбен анық көрінеді. Мысалы, платиналық сымды натрий нитратының ерітіндісіне малып, отқа салғанда, натрий атомдары сары түс шығарады. Сол сияқты, индий отқа салынғанда, от көк түске айналады. Осы анық қасиеттері элементтерді олардың атомдық эмиссия спектрі арқылы анықтауға мүмкіндік береді. Шығарылатын барлық жарықтарды қалың көзбен көруге болмайды, өйткені спектрге ультракүлгін сәулелер мен инфрақызыл сәулелер де кіреді. Эмиссия спектрі, қозған газды спектроскоп арқылы тікелей қарағанда пайда болады. Эмиссиялық спектроскопия - атомдар немесе молекулалар қозған күйден төменгі энергиялық күйге ауысқанда шығатын фотондардың толқын ұзындығын зерттейтін спектроскопиялық әдіс. Әрбір элемент өзінің электрондық құрылымына сәйкес дискретті толқын ұзындығының ерекше жиынтығын шығарады және осы толқын ұзындықтарын бақылау арқылы үлгідегі элементтік құрамды анықтауға болады. Эмиссиялық спектроскопия 19 ғасырдың соңында дамыды және атомдық эмиссия спектрлерін теориялық тұрғыдан түсіндіруге жасалған тыраштанғандықтар кванттық механикаға әкелді. Атомдарды қозған күйге келтірудің көптеген жолдары бар. Электромагниттік сәулеленумен өзара әрекеттесу флуоресценттік спектроскопияда, протон немесе басқа ауыр бөлшектер бөлшектермен туындаған рентген сәулесі эмиссиясында, ал электрондар немесе рентген сәулесі фотондары энергияны тарату рентген сәулесі спектроскопиясында немесе рентген сәулесі флуоресценциясында қолданылады. Ең қарапайым әдіс - үлгіні жоғары температураға дейін қыздыру, содан кейін қоздырулар үлгі атомдарының арасындағы соқтығысулар арқылы пайда болады. Бұл әдіс жалын эмиссиялық спектроскопиясында қолданылады, сондай-ақ бұл әдісті Андерс Йонас Ангстрем 1850 жылдары дискретті эмиссиялық сызықтар құбылысын ашқанда қолданған. Эмиссиялық сызықтар квантталған энергия күйлері арасындағы ауысудан туындаса да, олар бастапқыда өте өткір көрінуі мүмкін, бірақ олардың ені шекті, яғни олар жарықтың бірнеше толқын ұзындығынан тұрады. Бұл спектрлік сызықтың кеңеюінің көптеген себептері бар. Эмиссиялық спектроскопия көбінесе оптикалық эмиссиялық спектроскопия деп аталады, себебі шығарылатын заттардың жарық сипаты.
Тарих
1756 жылы Томас Мелвилл спирт жалынына тұз қосылғанда, түстің айқын үлгілерінің пайда болатынын байқады. 1785 жылы Джеймс Грегори дифракциялық тордың қағидаларын ашты, ал американдық астроном Дэвид Риттенхаус алғашқы жасалған дифракциялық торды құрастырды. 1821 жылы Жозеф фон Фраунгофер бұл маңызды тәжірибелік жетістікті нығайтты. Ол призманы толқын ұзындығының таралуының көзі ретінде алмастырды, бұл спектрлік ажыратымдылықты жақсартты және таратылған толқын ұзындықтарын өлшеуге мүмкіндік берді. 1835 жылы Чарльз Уитстон әртүрлі металдарды олардың шығарылған спектріндегі жарқын сызықтар арқылы ажыратуға болатынын хабарлады, осылайша жалын спектроскопиясына балама ұсынды. 1849 жылы Дж. Б. Л. Фуко эксперименттік жолмен бірдей толқын ұзындығындағы сіңіру және шығарылу сызықтарының бір материалдан туындайтынын, ал екеуінің арасындағы айырмашылық жарық көзінің температурасынан болатындығын көрсетті. 1853 жылы швед физигі Андерс Йонас Ангстрем газ спектрлері туралы байқаулар мен теорияларды ұсынды. Ангстрем қызған газ өзі сіңіре алатын толқын ұзындығымен бірдей жарық сәулелерін шығарады деп болжады. Сол кезде Джордж Стокс пен Уильям Томсон (Келвин) ұқсас гипотезаларды талқылап жатты. 1854 және 1855 жылдары Дэвид Альтер металдар мен газдардың спектрлері, соның ішінде сутегінің Балмер сызықтарын тәуелсіз түрде байқады. 1859 жылы Густав Кирхгоф пен Роберт Бунсен бірнеше Фраунгофер сызықтарының (күн спектріндегі сызықтар) қыздырылған элементтердің спектріндегі ерекше шығарылу сызықтарымен сәйкес келетінін анықтады. Күн спектріндегі қара сызықтардың Күн атмосферасындағы химиялық элементтердің сіңіруінен пайда болатыны дұрыс тұжырымдалды.
Жалын эмиссиялық спектроскопиясының тәжірибелік әдісі
Талдауға жататын тиісті затты қамтитын ерітінді отқа жұқа шашырату түрінде сорылып, таратылады. Еріткіш алдымен буланып кетеді, нәтижесінде ұсақ дисперсті қатты бөлшектер қалады, олар жалынның ең ыстық аймағына жылжып, молекулалардың диссоциациясы арқылы газ тәрізді атомдар мен иондар пайда болады. Онда электрондар жоғарыда сипатталғандай қоздырылады және төмен энергия деңгейіне түсу үшін спонтанды түрде фотондар шығарады. Жеңіл анықтау үшін монохроматор қолданылуы жиі кездеседі. Ең қарапайым деңгейде, жалындық эмиссиялық спектроскопияны жалын мен металл тұздарының үлгілерін ғана пайдаланып байқауға болады. Бұл сапалық талдау әдісі жалындық сынақ деп аталады. Мысалы, жалынға салынған натрий тұздары натрий иондарынан сары түспен жарқырайды, ал стронций (жол шамында қолданылады) иондары қызыл түс береді. Мыс сым көк түсті жалын тудырады, бірақ хлорид болғанда жасыл түске өтеді (CuCl молекуласының әсері).
Эмиссия коэффициенті
Эмиссия коэффициенті – электромагниттік көздің бірлік уақыттағы қуатты шығару коэффициенті, физикада есептелген шама. Газдың эмиссия коэффициенті жарық толқынының ұзындығына қарай өзгереді. Оның өлшем бірлігі – мс⁻³стр⁻¹. Бұл көрсеткіш электр энергиясының 1 МВт сағатына қоршаған ортаға шығарылатын заттардың (масса бойынша) мөлшерін анықтау үшін де қолданылады, қараңыз: Эмиссия факторы.
Жарық шашырау
Томсон шашырауында зарядталған бөлшек түскен жарық әсерінен сәуле шығарады. Бұл бөлшек қарапайым атомдық электрон болуы мүмкін, сондықтан эмиссия коэффициенттері практикалық қолданысқа ие. Егер 1='X' dV dΩ dλ – λ және λ + dλ толқын ұзындығы аралығындағы уақыт бірлігінде dΩ қатты бұрышына шашыраған энергия болса, онда эмиссия коэффициенті 1='X' болады. Томсон шашырауындағы 1='X' мәнін түскен ағын, зарядталған бөлшектердің тығыздығы және олардың Томсон дифференциалдық қимасы (аудан/қатты бұрыш) арқылы болжауға болады.
Өздігінен шығатын газдар
Фотондарды шығаратын жылу денесінің температурасымен және жалпы сәулелену қуатымен байланысты монохроматикалық эмиссия коэффициенті болады. Бұл кейде екінші Эйнштейн коэффициенті деп аталады және кванттық механикалық теориядан есептеп шығаруға болады.