Chapter 7: Electronic Structure of Atoms

Back to chapter

7.6:

Спектры излучения

JoVE Core
Chemistry

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

JoVE Core Chemistry

Emission Spectra

Previous Video
7.5: The Bohr Model

Next Video
7.7: The de Broglie Wavelength

Languages

Share

English العربية 中文 Nederlands français Deutsch עברית italiano 日本語 한국어 português русский español Türkçe

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.

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.