Spektriviiva

Kuten spektriviivojen tai resonanssi linjat, jyrkästi erottaa rivit spektri emittoidun ( emissiolinjat ) tai imeytyy ( absorptioviivoja ) ja sähkömagneettisten aaltojen , suppeassa merkityksessä sisällä aallonpituusalueella ja näkyvän valon ( valon spektri ). Spektriviivoille on tunnusomaista aallonpituus , viivan voimakkuus ja viivan leveys . Spektriviivojen syy ovat valon virittämät elektroniset siirtymät sisäänAtomit tai molekyylit .

Nimi spektrin linja menee takaisin historiallisesti siitä, että on sisäänkäynti rako tavanomaisissa spektrometrit , jonka muoto näkyy ruudulla tai silmässä. Nimi siirrettiin myöhemmin myös piikkeihin (eli maksimiin) spektrissä, joka kirjattiin intensiteettikäyräksi.

Matalapaineisen kadmiumhöyrylampun spektri, ylempi kuva 256 pikselin linjasensorilla , alempi kuva kameralla

Spektriviivat esiintyvät instrumentaalisessa atomispektroskopiassa (kuten ydinmagneettisen resonanssin spektroskopiassa ) tai liekin värissä . Niitä käytetään muun muassa tähtitieteessä tähtien , planeettojen ja tähtienvälisen aineen molekyylirakenteen analysointiin , mikä muuten olisi mahdotonta. He olivat auringon valon taittumisessa 1800-luvulta löydetyn prisman kautta , josta sitten kehittyivät spektroskoopit, jotka mahdollistivat laajan sovellusalueen spektrianalyysiin .

Perusasiat

Jatkuva valospektri ilman spektriviivoja

Spektriviiva on tarkasti määritellyn taajuuden valo, jonka atomin tai molekyylin lähettämä (lähettämä) tai absorboima (absorboima) siirtyminen energiatasolta toiselle johtuu . Taajuus määräytyy emittoidun tai absorboidun fotonin energian avulla ; tämä on yhtä suuri kuin kahden kvanttimekaanisen tilan energioiden välinen ero . Taajuus on ominaista tälle erityiselle siirtymälle tietyn tyyppisessä atomissa. Siksi voidaan erottaa atomityypit tarkkailemalla spektriviivoja.

Päästölinja

Päästöjohdot

Emissioviiva näkyy vaalean viiva spektrissä. Se johtuu aikana siirryttäessä suuremmasta pienempään energian tason , esimerkiksi silloin, kun elektroneja siirtyy peräisin viritystila on maahan tilaan. Täältä lähetetään fotoni. Tämä voi tapahtua joko spontaanisti ( spontaani emissio ) tai kuten. B. laserilla , viritetään sopivan taajuuden valolla ( stimuloitu emissio ).

Absorptiolinja

Absorptiolinjat
Resonanssiabsorptio H 2 O kaasua 1519 nm: ssä

Kun valoa säteilytetään jatkuvalla spektrillä (ts. Taajuusseoksella), sopivan taajuuden fotonien resonanssiabsorptio johtaa absorptioviivaan , jossa indusoituu siirtyminen alemmasta energiatasoon - esimerkiksi kun elektroni kulkee läpi fotoni päässä valenssivyöstä osaksi johtuminen nauha "nostetaan" (ks valosähköinen ilmiö ).

Laskiessaan takaisin alemmalle energiatasolle fotonista tulee isotrooppisia , ts. H. mihin suuntaan tahansa.

Molemmat johtavat siihen, että tällä taajuudella säteilytetty materiaali hajottaa hajavalon . Niin kauan kuin imeviä atomeja on tarpeeksi, se tapahtuu

  • tumma viiva jatkuvassa valonspektrissä, joka loistaa läpi ( Fraunhofer-viiva ); tätä tarkoitetaan yleensä termillä absorptioviiva
  • vaalea viiva tummaa taustaa vasten analysoitaessa hajavaloa, joka poistuu kaasun sivulta; tämän tyyppistä valolinjaa ei historiallisen terminologian vuoksi kutsuta emissiolinjaksi; Linjoihin viitataan sellaisina vain, jos viritystä ei aikaansaatu saman taajuuden valolla .

Päästöprofiilit

Spektriviivan valo ei sisällä yhtä tarkasti määriteltyä taajuutta, mutta käsittää (kapean) taajuusalueen. Puoli- leveys tätä aluetta kutsutaan viivan leveys . Päästölinjan viivan leveys koostuu useista tekijöistä:

Lorentz-profiili
Luonnollinen viivan leveys johtuu eliniän alkutilassa kautta Heisenbergin epävarmuuden periaate . Tällä on Lorentz-käyrän muoto . Tätä ei ole mahdollista vähentää.
Gaussin profiili
Atomien lämpöliike luo Doppler-vaikutuksen, joka siirtää valon yksittäisestä atomista tai molekyylistä punaiseen tai siniseen riippuen liikkeen suunnasta. Tilastollinen liike johtaa laajempaan taajuusjakaumaan. Tätä vaikutusta kutsutaan Doppler-laajentumiseksi . Se on Gaussin käyrän muotoinen ja riippuu lämpötilasta . Yleensä Doppler-leveys hallitsee selvästi luonnollisen viivan leveyden. Mekanismi tunnetaan myös termillä epähomogeeninen linjan laajentaminen .
Voigt-profiili
Mittauksen aikana, Lorentzin käyrän äärellinen leveys näyttää ovat muuttuneet sen tunnettuun muotoon, jos laitteen toiminta mittausjärjestely on puoli leveys on suuruusluokkaa Lorentz käyrän harkitaan. Viivan muoto voidaan sitten kuvata Lorentz-käyrän konvoluutiolla ja laitetoiminnolla. Jos laitetoiminto on Gaussin käyrä, konvoluution tulosta kutsutaan Voigt-profiiliksi .

historia

Absorptiolinjat löysi ensimmäisen kerran vuonna 1802 William Hyde Wollaston ja vuonna 1814 Joseph von Fraunhofer , hänestä riippumatta, auringon spektristä . Näitä aurinkospektrin tummia viivoja kutsutaan myös Fraunhofer-viivoiksi .

Spektriviivat, muiden vaikutusten ohella, edistivät kvanttimekaniikan kehitystä . Klassisen elektrodynamiikan mukaan atomiin sitoutunut elektroni voisi lähettää minkä tahansa taajuuden sähkömagneettisia aaltoja; erillisten viivojen olemassaoloa ei voida selittää klassisesti. Havaintoon, että taajuudet spektriviivojen vetyatomi ovat verrannollisia ilmentymisen muodon kanssa kokonaislukuja ja johti käsite kvanttiluku ja lopuksi tuodaan Niels Bohr hänen Bohrin atomin , ensimmäinen - nyt vanhentunut - kvanttimekaaninen atomimalli. Moderni kvanttimekaniikka voi ennustaa atomien spektriviivat erittäin suurella tarkkuudella.

kirjallisuus

nettilinkit

Commons : Spectral Lines  - kokoelma kuvia, videoita ja äänitiedostoja