Emissionsspektrum

Emissionsspektrum einer Metallhalogenid -Lampe.
Eine Demonstration des 589 nm d2 (links) und 590 nm d1 (rechts) Emission Natrium -D -Linien mit einem Docht mit Salzwasser in einer Flamme

Das Emissionsspektrum von a Chemisches Element oder chemische Verbindung ist das Spektrum von Frequenzen von elektromagnetische Strahlung aus emittiert aufgrund eines Elektron a Überleitung von einem Hochenergiezustand bis zu einem niedrigeren Energiezustand. Das Photonenergie des emittierten Photon ist gleich der Energiedifferenz zwischen den beiden Zuständen. Für jedes Atom gibt es viele mögliche Elektronenübergänge, und jeder Übergang hat eine spezifische Energiedifferenz. Diese Sammlung verschiedener Übergänge, die zu unterschiedlichen Strahlen führt Wellenlängenmachen Sie ein Emissionsspektrum. Das Emissionsspektrum jedes Elements ist einzigartig. Deswegen, Spektroskopie Kann verwendet werden, um Elemente in Bezug auf unbekannte Zusammensetzung zu identifizieren. In ähnlicher Weise können die Emissionsspektren von Molekülen bei der chemischen Analyse von Substanzen verwendet werden.

Emission

Im Physik, Emission ist der Prozess, durch den ein mechanischer Zustand mit höherer Energie eines Partikels durch die Emission von a in eine niedrigere umgewandelt wird Photon, was zur Produktion von führt hell. Die Häufigkeit von Licht ist eine Funktion der Energie des Übergangs.

Da Energie erhalten werden muss, entspricht die Energiedifferenz zwischen den beiden Zuständen der vom Photon ausgeführten Energie. Die Energiezustände der Übergänge können zu Emissionen über einen sehr großen Bereich von Frequenzen führen. Zum Beispiel, sichtbares Licht wird durch die Kopplung elektronischer Zustände in Atomen und Molekülen emittiert (dann wird das Phänomen genannt Fluoreszenz oder Phosphoreszenz). Andererseits können Kernschalenübergänge hohe Energie ausgeben gamma Strahlen, während Kernspin -Übergänge niedrige Energie emittieren Radiowellen.

Das Emittanz eines Objekts quantifiziert, wie viel Licht von ihm emittiert wird. Dies kann mit anderen Eigenschaften des Objekts durch die zusammenhängen Stefan -Boltzmann Law. Für die meisten Substanzen variiert die Emissionsmenge mit der Temperatur und die Spektroskopische Zusammensetzung des Objekts, der zum Aussehen von führt Farbtemperatur und Emissionslinien. Genauige Messungen bei vielen Wellenlängen ermöglichen die Identifizierung einer Substanz über Emissionsspektroskopie.

Die Strahlungsemission wird typischerweise unter Verwendung der semi-klassischen Quantenmechanik beschrieben: Die Energieniveaus und -abteilung des Teilchens werden aus bestimmt Quantenmechanikund Licht wird als oszillierendes elektrisches Feld behandelt, das einen Übergang fördern kann, wenn es mit der Eigenfrequenz des Systems in Resonanz ist. Das Problem der Quantenmechanik wird mit zeitabhängiger Behandlung behandelt Störungstheorie und führt zu dem allgemeinen Ergebnis bekannt als Fermis goldene Regel. Die Beschreibung wurde von abgelöst von QuantenelektrodynamikObwohl die semi-klassische Version in den meisten praktischen Berechnungen weiterhin nützlicher ist.

Ursprünge

Wenn der Elektronen Im Atom sind beispielsweise das zusätzliche Erhitzen erregt, indem sie erhitzt werden Energie drückt die Elektronen auf höhere Energieorbitale. Wenn die Elektronen zurückfallen und den angeregten Zustand verlassen, wird die Energie in Form von a wieder aufgenommen Photon. Die Wellenlänge (oder äquivalent, Frequenz) des Photons wird durch die Energiedifferenz zwischen den beiden Zuständen bestimmt. Diese emittierten Photonen bilden das Spektrum des Elements.

Die Tatsache, dass nur bestimmte Farben im Atomemissionsspektrum eines Elements erscheinen, bedeutet, dass nur bestimmte Lichtfrequenzen emittiert werden. Jede dieser Frequenzen hängt von der Formel mit Energie zusammen:

wo ist die Energie des Photons, ist es Frequenz, und ist Plancks Konstante. Dies kommt zu dem Schluss, dass nur das Photonen mit bestimmten Energien werden vom Atom emittiert. Das Prinzip des Atomemissionsspektrums erklärt die unterschiedlichen Farben in Leuchtreklamensowie chemikalisch Flammentest Ergebnisse (unten beschrieben).

Die Lichtfrequenzen, die ein Atom emittieren kann, hängen von Zuständen ab, in denen sich die Elektronen befinden können. Wenn er angeregt ist, bewegt sich ein Elektron auf ein höheres Energieniveau oder ein Umlaufbahn. Wenn das Elektron auf den Boden zurückreicht, wird das Licht emittiert.

Emissionsspektrum von Wasserstoff

Das obige Bild zeigt das sichtbare Licht Emissionsspektrum für Wasserstoff. Wenn nur ein einziges Wasserstoff vorhanden wäre, würde nur eine einzelne Wellenlänge zu einem bestimmten Zeitpunkt beobachtet. Einige der möglichen Emissionen werden beobachtet, da die Probe viele Wasserstoffatome enthält, die sich in verschiedenen anfänglichen Energiezuständen befinden und unterschiedliche endgültige Energiezustände erreichen. Diese verschiedenen Kombinationen führen zu gleichzeitigen Emissionen bei verschiedenen Wellenlängen.

Emissionsspektrum von Eisen

Strahlung aus Molekülen

Neben den oben diskutierten elektronischen Übergängen kann sich die Energie eines Moleküls auch über durch Rotation, Schwingung, und Vibronisch (kombinierte Schwingungs- und elektronische) Übergänge. Diese Energieübergänge führen oft zu eng verteilten Gruppen vieler verschiedener Spektrallinien, bekannt als Spektralbänder. Ungelöste Bandspektren können als spektrales Kontinuum erscheinen.

Emissionsspektroskopie

Licht besteht aus elektromagnetischer Strahlung verschiedener Wellenlängen. Wenn die Elemente oder ihre Verbindungen entweder auf einer Flamme oder durch einen elektrischen Bogen erhitzt werden, emittieren sie Energie in Form von Licht. Analyse dieses Lichts mit Hilfe von a Spektroskop gibt uns ein diskontinuierliches Spektrum. Ein Spektroskop oder ein Spektrometer ist ein Instrument, das zum Trennen der Lichtkomponenten verwendet wird, die unterschiedliche Wellenlängen aufweisen. Das Spektrum erscheint in einer Reihe von Zeilen, die als Zeilenspektrum bezeichnet werden. Dieses Zeilenspektrum wird als Atomspektrum bezeichnet, wenn es aus einem Atom in elementarer Form stammt. Jedes Element hat ein anderes Atomspektrum. Die Produktion von Linienspektren durch die Atome eines Elements zeigt, dass ein Atom nur eine bestimmte Menge an Energie ausstrahlen kann. Dies führt zu der Schlussfolgerung, dass gebundene Elektronen nur eine Menge Energie, sondern nur eine gewisse Energiemenge haben können.

Das Emissionsspektrum kann verwendet werden, um die Zusammensetzung eines Materials zu bestimmen, da es jeweils unterschiedlich ist Element des Periodensystem. Ein Beispiel ist Astronomische Spektroskopie: Identifizierung der Zusammensetzung von Sterne Durch Analyse des empfangenen Lichts. Die Emissionsspektrumeigenschaften einiger Elemente sind für das bloßende Auge deutlich sichtbar, wenn diese Elemente erhitzt werden. Wenn beispielsweise Platindraht in eine Natriumnitratlösung getaucht und dann in eine Flamme eingeführt wird, emittieren die Natriumatome eine bernsteingelbe Farbe. In ähnlicher Weise wird die Flamme blau, wenn Indium in eine Flamme eingeführt wird. Diese bestimmten Merkmale ermöglichen es, Elemente durch ihr Atomemissionsspektrum zu identifizieren. Nicht alle emittierten Lichter sind für das bloße Auge wahrnehmbar, da das Spektrum auch ultraviolette Strahlen und Infrarotstrahlung enthält. Ein Emissionsspektrum wird gebildet, wenn ein angeregtes Gas direkt über ein Spektroskop betrachtet wird.

Schematisches Diagramm von spontane Emission

Emissionsspektroskopie ist ein spektroskopisch Technik, die die Wellenlängen von untersucht Photonen emittiert durch Atome oder Moleküle während ihres Übergangs von einem aufgeregter Zustand zu einem niedrigeren Energiezustand. Jedes Element emittiert einen charakteristischen Satz diskreter Wellenlängen gemäß seiner elektronische Strukturund durch Beobachtung dieser Wellenlängen kann die elementare Zusammensetzung der Probe bestimmt werden. Im späten 19. Jahrhundert entwickelte Emissionsspektroskopie und Bemühungen zur theoretischen Erklärung der Atomemissionsspektren führten schließlich zu Quantenmechanik.

Es gibt viele Möglichkeiten, wie Atome in einen angeregten Zustand gebracht werden können. Wechselwirkung mit elektromagnetischer Strahlung wird in verwendet Fluoreszenzspektroskopie, Protonen oder andere schwerere Partikel in Partikelinduzierte Röntgenemission und Elektronen oder Röntgenphotonen in Energiedispersive Röntgenspektroskopie oder Röntgenfluoreszenz. Die einfachste Methode besteht darin, die Probe auf eine hohe Temperatur zu erhitzen, wonach die Anregungen durch Kollisionen zwischen den Probenatomen erzeugt werden. Diese Methode wird in verwendet Flammenemissionsspektroskopieund es war auch die Methode von verwendet von Anders Jonas Ångström Als er das Phänomen diskreter Emissionslinien in den 1850er Jahren entdeckte.[1]

Obwohl die Emissionslinien durch einen Übergang zwischen quantisierten Energiezuständen verursacht werden und zunächst sehr scharf aussehen können, haben sie eine endliche Breite, d. H. Sie bestehen aus mehr als einer Wellenlänge des Lichts. Dies Spektrallinienverbreiterung hat viele verschiedene Ursachen.

Emissionsspektroskopie wird häufig als bezeichnet Optische Emissionsspektroskopie Wegen der leichten Natur des emittierten.

Geschichte

1756 beobachtete Thomas Melvill die Emission verschiedener Farbmuster, wenn Salze wurden hinzugefügt zu Alkohol Flammen.[2] Bis 1785 James Gregory entdeckte die Prinzipien des Beugungsgitters und des amerikanischen Astronoms David Rittenhouse machte den ersten entwickelten Beugungsgitter.[3][4] Im Jahr 1821 Joseph von Fraunhofer verfestigte diesen signifikanten experimentellen Sprung, ein Prisma als Wellenlänge zu ersetzen Dispersion Verbesserung der Spektralauflösung und die quantifizierten Verteilungswellenlängen zulassen.[5]

Im Jahr 1835, Charles Wheatstone berichtete, dass verschiedene Metalle durch helle Linien in den Emissionsspektren ihrer von ihren Unterscheidungsmerkmalen unterschieden werden können Funkendamit eine Alternative zur Flammenspektroskopie.[6][7] 1849, J. B. L. Foucault experimentell demonstrierte das Absorption und Emissionsleitungen mit der gleichen Wellenlänge sind beide auf dasselbe Material zurückzuführen, wobei der Unterschied zwischen den beiden aus der Temperatur der Lichtquelle stammt.[8][9] 1853 die Schwedisch Physiker Anders Jonas Ångström Präsentierte Beobachtungen und Theorien über Gasspektren.[10] Ångström postulierte, dass ein Glühgas leuchtende Strahlen derselben Wellenlänge wie diejenigen emittiert, die er absorbieren kann. Zur selben Zeit George Stokes und William Thomson (Kelvin) diskutierten ähnliche Postulate.[8] Ångström maß auch das Emissionsspektrum aus Wasserstoff später markiert die Balmer Linien.[11][12] 1854 und 1855,, David Alter veröffentlichte Beobachtungen über die Spektren von Metallen und Gasen, einschließlich einer unabhängigen Beobachtung der Balmer Linien von Wasserstoff.[13][14]

Bis 1859, Gustav Kirchhoff und Robert Bunsen bemerkte, dass mehrere Fraunhofer Linien (Linien im Sonnenspektrum) stimmen mit charakteristischen Emissionslinien zusammen, die in den Spektren von beheizten Elementen identifiziert wurden.[15][16] Es wurde korrekt abgeleitet, dass dunkle Linien im Sonnenspektrum durch Absorption durch chemische Elemente in der verursacht werden Sonnenatmosphäre.[17]

Versuchstechnik in der Flammenemissionsspektroskopie

Die Lösung, die die zu analysierende Substanz enthält, wird in den Brenner gezogen und als feines Spray in die Flamme verteilt. Das Lösungsmittel verdunstet zuerst und bleibt fein geteilt fest Partikel, die sich in den heißesten Bereich der Flamme bewegen Atome und Ionen werden produziert. Hier Elektronen sind wie oben beschrieben aufgeregt. Es ist üblich für a Monochromator verwendet werden, um eine einfache Erkennung zu ermöglichen.

Auf einfacher Ebene kann die Flammenemissionsspektroskopie unter Verwendung von nur a beobachtet werden Flamme und Proben von Metallsalzen. Diese Methode der qualitativen Analyse wird als a genannt Flammentest. Zum Beispiel, Natrium In der Flamme platzierte Salze leuchten gelb von Natriumionen, während Strontium (verwendet in Straßenflarsen) Ionen färben es rot. Kupfer Draht erzeugt eine blau gefärbte Flamme, jedoch in Gegenwart von Chlorid gibt grün (molekulare Beitrag durch CUCL).

Emissionskoeffizient

Emissionskoeffizient ist ein Koeffizient im Leistungsausgang pro Zeiteinheit Zeit von a elektromagnetisch Quelle, ein berechneter Wert in Physik. Der Emissionskoeffizient eines Gases variiert mit dem Wellenlänge des Lichts. Es hat Einheiten von MS–3sr–1.[18] Es wird auch als Maß von verwendet Umwelt Emissionen (durch Masse) pro MWh von Strom erzeugt, sehen: Emissionsfaktor.

Lichtstreuung

Im Thomson Streuung Ein geladenes Teilchen emittiert Strahlung unter einfallendem Licht. Das Teilchen kann ein gewöhnliches Atomelektron sein, daher haben Emissionskoeffizienten praktische Anwendungen.

Wenn X dv dΩ ist die Energie, die durch ein Volumenelement verstreut ist dv in festen Winkel dΩ zwischen Wellenlängen λ und λ + pro Zeiteinheit dann die Emission Koeffizient ist X.

Die Werte von X In Thomson kann Streuung sein vorhergesagt aus einem einfallenden Fluss, der Dichte der geladenen Partikel und ihres Thomson -Differentialquerschnitts (Fläche/Festwinkel).

Spontane Emission

Ein warmer Körper, der ausstrahlt Photonen hat ein monochromatisch Emissionskoeffizient in Bezug auf Temperatur und Gesamtleistungstrahlung. Dies wird manchmal als zweite bezeichnet Einsteinkoeffizient, und kann abgeleitet werden Quantenmechanische Theorie.

Siehe auch

Verweise

  1. ^ Eingebaut, Synlube. "Spektroskopieölanalyse". www.synlube.com. Abgerufen 2017-02-24.
  2. ^ Melvill, Thomas (1756). "Beobachtungen an Licht und Farben". Essays und Beobachtungen, physisch und literarisch. Lesen Sie vor einer Gesellschaft in Edinburgh,…. 2: 12–90. ; Siehe S. 33–36.
  3. ^ Sehen:
  4. ^ Parker AR (März 2005). "Eine geologische Geschichte der Reflexion der Optik". Zeitschrift der Royal Society, Schnittstelle. 2 (2): 1–17. doi:10.1098/rsif.2004.0026. PMC 1578258. PMID 16849159.
  5. ^ OpenStax Astronomy, "Spektroskopie in der Astronomie". OpenStax CNX. 29. September 2016 http://cnx.org/contents/1f92a120-370a-4547-b14e-a3df3ce6f083@3 open access
  6. ^ Brian Bowers (2001). Sir Charles Wheatstone FRS: 1802-1875 (2. Aufl.). Iet. S. 207–208. ISBN 978-0-85296-103-2.
  7. ^ Weizenstein (1836). "Über die prismatische Zersetzung von elektrischem Licht". Bericht über die fünfte Sitzung der British Association zur Förderung der Wissenschaft; 1835 in Dublin abgehalten. Mitteilungen und Abstracts der Kommunikation an die British Association for the Advancement of Science, auf dem Dublin -Treffen, August 1835. London, England: John Murray. S. 11–12.
  8. ^ a b Marke, S. 60-62
  9. ^ Sehen:
    • Foucault, L. (1849). "Lumière Électrique" [Elektrisches Licht]. Société Philomatique de Paris. Extraits des Procès-Verbarux de Séances. (auf Französisch). 13: 16–20.
    • Foucault, L. (7. Februar 1849). "Lumière Électrique" [Elektrisches Licht]. L'institut, Journal Universel des Sciences… (auf Französisch). 17 (788): 44–46.
  10. ^ Sehen:
  11. ^ Wagner, H. J. (2005). "Frühe Spektroskopie und die Balmer -Linien von Wasserstoff". Journal of Chemical Education. 82 (3): 380. Bibcode:2005jed..82..380w. doi:10.1021/ed082p380.1.
  12. ^ (Ångström, 1852), p. 352; (Ångström, 1855b), p. 337.
  13. ^ Retcofsky, H. L. (2003). "Spektrumanalyse Entdecker?". Journal of Chemical Education. 80 (9): 1003. Bibcode:2003jed..80.1003r. doi:10.1021/ed080p1003.1.
  14. ^ Sehen:
  15. ^ Sehen:
    • Gustav Kirchhoff (1859) "Ueber Die Fraunhofers Linien" (Auf Fraunhofers Linien), Monatsbericht der Königlins Präeussche Akademie der Wissenschaften Zu Berlin (Monatlicher Bericht der Royal Preußsian Academy of Sciences in Berlin), 662–665.
    • Gustav Kirchhoff (1859) "Ueber Das Sonnenspektrum" (Im Sonnenspektrum), Verhandlungen des Naturhistorisch-Medizinischen Vereins Zu Heidelberg (Verfahren der Naturhistorie / medizinischen Vereinigung in Heidelberg), 1 (7): 251–255.
  16. ^ G. Kirchhoff (1860). "Ueber Die Fraunhofers Linien". Annalen der Physik. 185 (1): 148–150. Bibcode:1860anp ... 185..148K. doi:10.1002/und P.18601850115.
  17. ^ G. Kirchhoff (1860). "Ueber Das Verhältnis Zwische Dem Emissionsvermögen und Dem Absorptionenvermögen der Körper für Wärme und Licht". Annalen der Physik. 185 (2): 275–301. Bibcode:1860anp ... 185..275k. doi:10.1002/und P.18601850205.
  18. ^ Carroll, Bradley W. (2007). Eine Einführung in die moderne Astrophysik. CA, USA: Pearson Ausbildung. p. 256. ISBN 978-0-8053-0402-2.

Externe Links