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7.6:

発光スペクトル

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Chemistry
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Emission Spectra

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原子がエネルギーを吸収すると 電子は励起されて より高いエネルギー準位に 移動します 電子が低エネルギー状態 または基底状態になると 余分なエネルギーが 光子として放出されます 吸収された光と 放出された光の波長は 高エネルギー状態と 低エネルギー状態の差によって 異なります 高エネルギーの光は電子が 高エネルギー準位の状態から 緩和されて放出され 低エネルギーの光は 電子が低エネルギー準位の状態から 緩和されて放出されます 発光スペクトルとは ある波長の範囲で放出された 放射線を測定したものです 純粋な元素種では 広いスペクトルではなく 特定の波長の線として 発光挙動が現れます これが水素の発光スペクトルです 可視光領域の スペクトル線の集合は バルマー系列として 知られています これは 電子がn=3よりも 高いエネルギー準位から戻って n 2に降りて 遷移するときに発生します 可視光のスペクトルは 410 434 486 および656 nmで スペクトル線として表示され n=3 4 5と6からそれぞれ n=2のエネルギー準位への 遷移に対応しています 追加のスペクトル線は 紫外領域の ライマン系列や 赤外領域の パスチェン系列のような 可視領域外で 測定することができます 水素のスペクトル線の波長は R-Hはライドバーグ定数 n1は低エネルギーレベルの 主量子数 n2は高エネルギー準位の 主量子数であり 数式を用いて 予測することができます バルマー級数の場合 n1 2となります 原子によって エネルギー準位が異なるため スペクトルの発光線は 元素ごとに異なり 物質の識別に用いられます 発光スペクトルの逆数は 吸収スペクトルです 水素を見てみると 吸収スペクトルの線は 発光スペクトルと 同じ波長にありますが 暗くなっています これは 水素原子が 連続した白色光のスペクトルを 浴びたときに吸収される 光の波長です

7.6:

発光スペクトル

固体や液体、あるいは凝縮した気体が十分に加熱されると、その余剰エネルギーの一部が光として放射されます。このようにして生成された光子は、様々なエネルギーを持っているため、波長が途切れることのない連続したスペクトルとなります。

光は、連続したスペクトルとは対照的に、非常に狭い線幅がスペクトル領域全体に散在している離散的なスペクトル、すなわち線スペクトルとしても発生します。低分圧の気体に電流を流して励起したり、加熱したりすると、線スペクトルが発生します。蛍光灯やネオンサインなどがこれにあたります。元素にはそれぞれ特徴的な線があり、分子にも特徴的な線がありますが、そのスペクトルは一般に非常に複雑です。

それぞれの輝線は単一の波長の光で構成されており、気体が放出する光は離散的なエネルギーの集合体であることを意味しています。例えば、低圧の水素ガスが入った管に放電を通すと、H2分子が分かれたH原子に分解され、青-ピンク色の光が観測されます。この光をプリズムに通すと線スペクトルが得られ、この光が4つの可視波長の光子で構成されていることがわかります。

19世紀後半の科学者にとって、原子や分子の離散的なスペクトルの起源は非常に不可解なものでした。古典的な電磁気学の理論によれば、連続したスペクトルしか観測されないはずだからです。水素原子には、紫外域と赤外域に離散的な線が見られました。ヨハネス・リドバーグは、バルマーの研究を一般化し、水素の輝線を可視領域だけでなく、すべての輝線を予測する経験式を開発しました。ここで n1 n2は整数でn1 < n2

Eq1

19世紀末の時点でも、分光学は非常に精密な科学であり、水素の波長は非常に高い精度で測定されていたため、リュードベリ定数も非常に正確に決定することができました。 リュードベリ式のような単純な計算式は、当時正確な測定値を明らかにすることができましたが、 1913 年にニールス・ボーアが発光スペクトルを説明したことで、古典物理学は捨てられ、現代の量子力学が発展することになりました。

本書は 、 Openstax 、 Chemistry 2e 、 Section 3.1 : Electromagnetic Energy から引用しています。