Введение

Частоты света, испускаемого атомами или химическими соединениями.

Спектр излучения химического элемента или химического соединения – это спектр частот электромагнитного излучения, возникающий при переходе электронов из состояния с более высокой энергией в состояние с более низкой энергией. Энергия фотонов испускаемого излучения равна разности энергий между этими двумя состояниями. Для каждого атома существует множество возможных электронных переходов, и каждый переход характеризуется определенной разностью энергий. Совокупность этих различных переходов, приводящих к излучению разных длин волн, формирует спектр излучения. Спектр излучения каждого элемента уникален. Следовательно, спектроскопия может быть использована для идентификации элементов в веществе неизвестного состава. Аналогично, спектры излучения молекул могут применяться для химического анализа веществ.

Выбросы

В физике эмиссия – это процесс, при котором квантово-механическое состояние частицы с более высокой энергией переходит в состояние с более низкой энергией посредством испускания фотона, что приводит к возникновению света. Частота испускаемого света является функцией энергии перехода. Поскольку энергия должна сохраняться, разность энергий между двумя состояниями равна энергии, уносимой фотоном. Энергетические уровни переходов могут обуславливать испускание в очень широком диапазоне частот. Например, видимый свет испускается при взаимодействии электронных состояний в атомах и молекулах (в этом случае явление называется флуоресценцией или фосфоресценцией). С другой стороны, переходы в ядерной оболочке могут испускать высокоэнергетические гамма-лучи, а переходы ядерных спинов – низкоэнергетические радиоволны. Эмиссионная способность объекта определяет количество испускаемого им света. Она может быть связана с другими свойствами объекта посредством закона Стефана-Болцмана. Для большинства веществ количество испускаемого излучения изменяется в зависимости от температуры и спектроскопического состава объекта, что приводит к появлению цветовой температуры и эмиссионных линий. Точные измерения на различных длинах волн позволяют идентифицировать вещество с помощью эмиссионной спектроскопии. Испускание излучения обычно описывается с использованием полуклассической квантовой механики: энергетические уровни и интервалы между ними определяются квантовой механикой, а свет рассматривается как колеблющееся электрическое поле, способное вызвать переход, если оно находится в резонансе с собственной частотой системы. Задача квантовой механики решается с помощью теории возмущений во времени и приводит к общему результату, известному как золотое правило Ферми. Это описание было уточнено квантовой электродинамикой, хотя полуклассический подход продолжает оставаться более полезным в большинстве практических расчетов.

Происхождение

Когда электроны в атоме возбуждаются, например, при нагревании, дополнительная энергия переводит электроны на более высокие энергетические орбитали. Когда электроны возвращаются обратно и покидают возбужденное состояние, энергия переизлучается в виде фотона. Длина волны (или, эквивалентно, частота) фотона определяется разницей энергий между двумя состояниями. Эти испускаемые фотоны формируют спектр элемента. Тот факт, что в атомном спектре излучения элемента наблюдаются только определенные цвета, означает, что испускаются только определенные частоты света. Каждая из этих частот связана с энергией формулой: где – энергия фотона, – его частота, а – постоянная Планка. Это позволяет заключить, что атомом испускаются только фотоны с определенной энергией. Принцип атомного спектра излучения объясняет разнообразие цветов в неоновых вывесках, а также результаты химического анализа пламенем (описанные ниже). Частоты света, которые может излучать атом, зависят от состояний, в которых могут находиться электроны. При возбуждении электрон переходит на более высокий энергетический уровень или орбиталь. Когда электрон возвращается на основной энергетический уровень, испускается свет. На приведенном выше рисунке показан спектр видимого излучения водорода. Если бы присутствовал только один атом водорода, то в данный момент времени наблюдалась бы только одна длина волны. Наблюдается несколько возможных излучений, поскольку образец содержит множество атомов водорода, находящихся в различных начальных энергетических состояниях и переходящих в различные конечные энергетические состояния. Эти различные комбинации приводят к одновременному излучению на разных длинах волн.

Излучение от молекул

Помимо электронных переходов, обсуждаемых выше, энергия молекулы также может изменяться посредством вращательных, колебательных и вибронных (комбинированных колебательных и электронных) переходов. Эти энергетические переходы часто приводят к тесно расположенным группам множества различных спектральных линий, известных как спектральные полосы. Неразрешенные полосы спектра могут выглядеть как сплошной спектр.

Эмиссионная спектроскопия

Свет состоит из электромагнитного излучения различных длин волн. Поэтому, когда элементы или их соединения нагреваются в пламени или электрической дуге, они излучают энергию в виде света. Анализ этого света с помощью спектроскопа дает прерывистый спектр. Спектроскоп или спектрометр – это прибор, используемый для разделения компонентов света, имеющих разные длины волн. Спектр проявляется в виде серии линий, называемых линейным спектром. Этот линейный спектр называется атомным спектром, если он возникает от атома в элементарном состоянии. Каждый элемент имеет уникальный атомный спектр. Образование линейных спектров атомами элемента указывает на то, что атом может излучать только определенное количество энергии. Это приводит к выводу, что связанные электроны могут обладать не любым количеством энергии, а только определенными значениями энергии. Спектр излучения можно использовать для определения состава материала, поскольку он различается для каждого элемента периодической таблицы. Примером является астрономическая спектроскопия: определение состава звезд путем анализа полученного света. Характерные особенности спектра излучения некоторых элементов видны невооруженным глазом при нагревании этих элементов. Например, при погружении платиновой проволоки в раствор нитрата натрия и последующем помещении в пламя, атомы натрия излучают янтарно-желтый цвет. Аналогично, при введении индия в пламя, пламя становится синим. Эти четкие характеристики позволяют идентифицировать элементы по их атомному спектру излучения. Не все излучаемые лучи воспринимаются невооруженным глазом, поскольку спектр также включает ультрафиолетовое и инфракрасное излучение. Спектр излучения формируется при прямом наблюдении возбужденного газа через спектроскоп. Эмиссионная спектроскопия – это спектроскопический метод, который исследует длины волн фотонов, излучаемых атомами или молекулами при переходе из возбужденного состояния в состояние с более низкой энергией. Каждый элемент излучает характерный набор дискретных длин волн в соответствии со своей электронной структурой, и, наблюдая эти длины волн, можно определить элементарный состав образца. Эмиссионная спектроскопия развилась в конце XIX века, и усилия по теоретическому объяснению атомных спектров излучения в конечном итоге привели к созданию квантовой механики. Существует множество способов перевода атомов в возбужденное состояние. Взаимодействие с электромагнитным излучением используется в флуоресцентной спектроскопии, протоны или другие более тяжелые частицы – в спектроскопии, вызванной частицами, рентгеновское излучение, а электроны или фотоны рентгеновского излучения – в энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии или рентгеновской флуоресценции. Самый простой метод – нагреть образец до высокой температуры, после чего возбуждение происходит в результате столкновений между атомами образца. Этот метод используется в пламенной эмиссионной спектроскопии, и он же был использован Андерсом Йонасом Ангстремом при открытии явления дискретных эмиссионных линий в 1850-х годах. Хотя эмиссионные линии обусловлены переходом между квантованными энергетическими состояниями и могут казаться очень четкими, они имеют конечную ширину, то есть состоят из более чем одной длины волны света. Существует множество причин для уширения спектральных линий. Эмиссионная спектроскопия часто называется оптической эмиссионной спектроскопией из-за волновой природы излучения.

История

В 1756 году Томас Мелвилл наблюдал появление отчетливых цветовых узоров при добавлении солей в пламя спирта. К 1785 году Джеймс Грегори открыл принципы работы дифракционной решетки, а американский астроном Дэвид Риттенхаус создал первую конструкторскую дифракционную решетку. В 1821 году Йозеф фон Фраунгофер закрепил этот значительный экспериментальный прорыв, заменив призму в качестве источника дисперсии длин волн, улучшив спектральное разрешение и позволив количественно оценить рассеянные длины волн. В 1835 году Чарльз Уитстон сообщил, что различные металлы можно различить по ярким линиям в спектрах излучения их искр, тем самым предложив альтернативу пламенной спектроскопии. В 1849 году Ж. Б. Л. Фуко экспериментально продемонстрировал, что линии поглощения и излучения на одной и той же длине волны обусловлены одним и тем же веществом, при этом различие между ними связано с температурой источника света. В 1853 году шведский физик Андерс Йонас Ангстрем представил наблюдения и теории о газовых спектрах. Ангстрем предположил, что раскаленный газ излучает лучи света той же длины волны, которую он способен поглощать. В то же время Джордж Стокс и Уильям Томсон (Кельвин) обсуждали схожие предположения. В 1854 и 1855 годах Дэвид Альтер опубликовал наблюдения спектров металлов и газов, включая независимое наблюдение линий Бальмера водорода. 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. Было правильно сделано заключение, что темные линии в солнечном спектре вызваны поглощением химических элементов в солнечной атмосфере.

Экспериментальная техника в области спектроскопии пламени

Раствор, содержащий анализируемое вещество, подается в горелку и распыляется в пламя в виде мелкого аэрозоля. Сначала испаряется растворитель, оставляя мелкодисперсные твердые частицы, которые перемещаются в самую горячую область пламени, где происходит диссоциация молекул с образованием газообразных атомов и ионов. Здесь электроны возбуждаются, как описано выше, и спонтанно излучают фотоны при переходе в более низкие энергетические состояния. Для облегчения регистрации обычно используют монохроматор. На базовом уровне спектроскопию пламенного излучения можно наблюдать, используя только пламя и образцы солей металлов. Этот метод качественного анализа называется реакцией пламенем. Например, соли натрия, помещенные в пламя, светятся желтым цветом из-за ионов натрия, а ионы стронция (используемые в дорожных сигнальных ракетах) окрашивают пламя в красный цвет. Медная проволока создает голубое пламя, однако в присутствии хлоридов оно становится зеленым (молекулярный вклад CuCl).

Коэффициент выбросов

Коэффициент излучения — это коэффициент мощности излучения электромагнитного источника в единицу времени, величина, рассчитываемая в физике. Коэффициент излучения газа зависит от длины волны света. Его единицы измерения — мс⁻³стр⁻¹. Он также используется для оценки выбросов в окружающую среду (в массе) на каждый МВт⋅ч произведенной электроэнергии, см. Фактор выбросов.

Рассеяние света

В томсоновском рассеянии заряженная частица излучает энергию под действием падающего света. Частица может быть обычным атомным электроном, поэтому коэффициенты излучения имеют практическое применение. Если 1='X' dV dΩ dλ – это энергия, рассеянная элементом объема dV в телесный угол dΩ в диапазоне длин волн от λ до λ + dλ в единицу времени, то коэффициент излучения равен 1='X'. Значения 1='X' в томсоновском рассеянии можно предсказать, зная падающий поток, плотность заряженных частиц и их томсоновское дифференциальное сечение (площадь на единицу телесного угла).

Спонтанная эмиссия

Тепловое тело, излучающее фотоны, обладает монохроматическим коэффициентом эмиссии, зависящим от его температуры и полной мощности излучения. Это иногда называют вторым коэффициентом Эйнштейна, который можно получить из квантовомеханической теории.