7.6: Спектры излучения

Когда твердые вещества, жидкости или конденсированные газы достаточно нагреваются, они излучают часть избыточной энергии в виде света. Фотоны, производимые таким образом, обладают рядом энергий, и, таким образом, создают непрерывный спектр, в котором присутствует неразорвана серия длин волн.

В отличие от непрерывных спектров, свет может также иметь дискретные или линейные спектры с очень узкими линейными значениями, которые чередуются по спектральным областям. При возбуждении газа при низком частичном давлении с использованием электрического тока или нагревании он будет генерировать линейные спектры. Таким образом работают флуоресцентные лампы и неоновые знаки. Каждый элемент отображает свой собственный набор линий, как и молекулы, хотя их спектры, как правило, намного сложнее.

Каждая линия излучения состоит из одной длины волны света, что означает, что свет, излучаемый газом, состоит из набора дискретных энергий. Например, когда электрический разряд проходит через трубку, содержащую газообразный водород при низком давлении, молекулы H₂ разбиваются на отдельные атомы H, и наблюдается синих-розовый цвет. Прохождение света через призму создает линейный спектр, указывающий на то, что этот свет состоит из фотонов четырех видимых длин волн.

Происхождение дискретных спектров в атомах и молекулах было чрезвычайно озадачено ученым в конце девятнадцатого века. Согласно классической электромагнитной теории, следует наблюдать только непрерывные спектры. Другие дискретные линии для атома водорода были обнаружены в УФ- и ИК-областях. Йоханнес Ридберг обобщала работу Балмера и разработала эмпирическую формулу, которая предсказывала все линии выбросов водорода, а не только те, которые ограничены видимым диапазоном, где n₁ и n₂ являются целыми числами n1 < n2

Даже в конце девятнадцатого века спектроскопия была очень точной наукой, и поэтому длины волн водорода измерялись c очень высокой аккуратностью, что подразумевало, что константу Ридберга можно было определить очень точно. Такая простая формула, как формула Ридберга, могла бы в то время учитывать такие точные измерения, казалась поразительной, но именно окончательное объяснение спектров излучения Нильсом Бором в 1913 году убедило ученых отказаться от классической физики и стимулировало развитие современной квантовой механики.

Этот текст адаптирован из Openstax, Химия 2е изд., раздел 3.1: Электромагнитная энергия.

Когда атом поглощает энергию, электроны возбуждаются и переходят на более высокий энергетический уровень. Когда электроны релаксируют либо до состояния с более низкой энергией, либо до основного состояния, избыточная энергия выделяется в виде фотона. Длина волны поглощенного и испускаемого света зависит от разницы между высоким и низким уровнями энергии.

Излучаемый свет с высокой энергией является результатом релаксации электронов с более высокого энергетического уровня, а излучаемый свет с низкой энергией возникает в результате релаксации электронов с более низкого энергетического уровня. Спектр излучения это мера испускаемого излучения в диапазоне длин волн. В случае чистых элементарных частиц поведение излучения проявляется в виде линий с определенной длиной волны, а не в виде широкого спектра.

Это спектр излучения водорода. Набор спектральных линий в области видимого света известен как серия Бальмера. Это происходит, когда электроны переходят с энергетического уровня выше n 3 обратно на n 2.

Спектр видимого света выглядит как спектральные линии с длиной волны 410, 434, 486 и 656 нанометров, которые соответствуют переходам энергетических уровней с n 3, 4, 5 и 6 соответственно на n 2. За пределами видимого диапазона могут быть измерены дополнительные спектральные линии, например серия Лаймана в УФ-области и серия Пашена в инфракрасной области. Длины волн спектральных линий для водорода можно предсказать с помощью математического выражения, где RH постоянная Ридберга, n1 главное квантовое число нижнего энергетического уровня, а n2 главное квантовое число для более высокого энергетического уровня.

Для серии Бальмера n1 2. Поскольку разные атомы имеют разные уровни энергии, спектральные линии излучения варьируются от элемента к элементу и используются для идентификации веществ. Спектр, обратный спектру излучения, это спектр поглощения.

Если посмотреть на водород, то линии в его спектре поглощения расположены на тех же длинах волн, что и его спектр излучения, однако они темные. Это длины световых волн, которые поглощаются атомом водорода, когда он подвергается воздействию непрерывного спектра белого света.

• Emission Spectrum - Energy radiated as light when solids, liquids, or gases are heated.
• Atomic Emission Spectrum - Discrete or line spectra produced when gas is excited or heated.
• Hydrogen Emission Spectrum - Spectrum produced when an electric discharge passes through tube containing hydrogen gas.
• Spectral Lines - Single wavelength of light, signifying that light emitted by gas consists of discrete energies.
• Rydberg Constant - Determined precisely from the accurate measurements of hydrogen wavelengths.

• Define Emission Spectrum – Explaining the generation of energy as light due to heating of matter (e.g., solids, liquids, gases)
• Contrast Continuous vs Line Spectra – Describing the difference between unbroken range of wavelengths and very narrow linewidths (e.g., emission spectrum vs hydrogen emission spectrum)
• Explore Hydrogen Emission Spectrum – Examine scenario where electrical discharge passes through a tube containing hydrogen gas (e.g., photon emission)
• Explain Atomic Emission Spectrum – Discuss how gas produces line spectra when excited or heated (e.g., neon, helium)
• Apply in Context - Discussing the implications of the precise determination of the Rydberg constant from measurements of hydrogen's wavelengths

• What is an emission spectrum and how to measure it?
• How are spectral lines created and what do they signify?
• How does hydrogen gas produce a unique emission spectrum?

• Students - Understanding emission spectrum deepens knowledge about light wavelength emission of substances when heated
• Educators - Provides a clear framework for teaching about emission, absorption, and atomic spectra
• Researchers - Relevant to scientific studies in astrophysics and quantum mechanics
• Science Enthusiasts - Offers insights into the emission and absorption spectra of various elements, arousing greater curiosity in atomic and quantum physics