Warto przeczytać

Widmo emisyjne liniowe to widmo składające się oddzielnych, barwnych linii (Rys. 1.). Widmo takie powstaje, gdy rozszczepimy na poszczególne długości fal promieniowanie elektromagnetyczne wysyłane przez pojedyncze atomy. Na rysunku poniżej widzimy widma helu i neonu, które jako gazy szlachetne zawsze składają się z pojedynczych atomówatomatomów. Natomiast, aby otrzymać widmo liniowe sodu, należy sód odparować, aby uwolnić atomy.

R1MDTa0bPAs0x

Rys. 1. Rysunek składa się z trzech jednakowych, wąskich, położonych poziomo prostokątów, leżących jeden nad drugim. Na ciemnym tle każdego z prostokątów znajdują się barwne linie widmowe trzech pierwiastków.
Pierwsze od góry to widmo helu. W lewej połowie widma są cztery linie niebieskie i zielone. Na prawo od nich jest linia żółta i przy prawym końcu linia czerwona.
Niżej jest widmo sodu z dwiema liniami żółtymi położonymi blisko siebie w prawej połowie prostokąta.
Najniżej jest widmo neonu z licznymi liniami żółtymi, pomarańczowymi i czerwonymi w prawej połowie prostokąta.

Atomy gazu wysyłają fale elektromagnetyczne tylko o określonych długościach. Fakt ten związany jest z budową atomu, składającego się z jądra atomowego, które otaczają elektrony. Elektrony są uwięzione w atomie za sprawą oddziaływania elektrycznego między dodatnimi ładunkami jądra i ujemnymi ładunkami elektronów. Energie elektronów w atomie mogą przybierać tylko pewne, określone wartości – elektron może znajdować się tylko na dozwolonych poziomach energetycznych. Mówimy, że energia elektronów w atomie jest skwantowana. Poziomy energetyczne w atomie przedstawia rysunek poniżej (Rys. 2.).

R16UVDFMkLANh

Rys. 2. Na rysunku jest pionowa oś skierowana do góry, na której są odłożone wartości energii elektronu w atomie wodoru. Oś oznaczona jest literą duże E. Od linii pionowej odchodzą w prawo linie poziome. Linie te symbolizują dozwolone stany energetyczne elektronu w atomie. Przy najniższej linii jest oznaczenie energii elektronu duże E z indeksem dolnym 1.
Przy drugiej od dołu linii jest oznaczenie energii elektronu duże E z indeksem dolnym 2.
Przy trzeciej od dołu linii jest oznaczenie energii elektronu duże E z indeksem dolnym 3. Między dolną linią poziomą a drugą z kolei jest duża odległość. Kolejne linie leżą coraz bliżej siebie.

Energia elektronu w atomie nie może zmieniać się w sposób ciągły. Elektron przeskakuje z jednego poziomu energetycznego na inny, a jego energia zmienia się skokowo. Gdy atom ma najmniejszą możliwą energię, jest w stanie podstawowym. Stan podstawowy jest stanem stabilnym, atom pozostaje w nim dowolnie długo, o ile nie zostanie przekazana mu energia. Jednak pobranie przez atom odpowiedniej energii spowoduje, że elektron przeskoczy na wyższy poziom energetyczny i atom znajdzie się w stanie wzbudzonym. Stan wzbudzony jest nietrwały. Po około 10Indeks górny -8^-8 s elektron przeskakuje do stanu podstawowego lub na niższy poziom wzbudzony, pozbywając się nadmiaru energii przez emisję fotonufotonfotonu. Energia tego fotonu jest równa różnicy energii atomu w stanie początkowym i końcowym (Rys. 3a).

RNxm9egAWghYF

Rys. 3. Ilustracja przedstawia dwa rysunki a. (po lewej) i b. (po prawej).

Na rysunku a. (po lewej) jest pionowa oś skierowana do góry, na której są odłożone wartości energii elektronu w atomie wodoru. Oś oznaczona jest literą duże E. Na dole osi odchodzi od niej w prawo linia pozioma, przy której jest oznaczenie energii elektronu duże E z indeksem dolnym małe k. Wyżej jest podobna pozioma linia z oznaczeniem energii elektronu duże E z indeksem dolnym małe n. Linie te symbolizują dwa dozwolone stany energetyczne elektronu w atomie. Od górnej linii do dolnej narysowana jest pionowa strzałka skierowana w dół. Obok z prawej strony jest falista linia ze strzałką skierowaną w prawo, która symbolizuje lecący foton. Pod nią jest napis: emisja fotonu o energii duże E z indeksem dolnym małe f równa się duże E z indeksem dolnym małe n minus duże E z indeksem dolnym małe k.

Na rysunku b. (po prawej) jest pionowa oś skierowana do góry, na której są odłożone wartości energii elektronu w atomie wodoru. Oś oznaczona jest literą duże E. Na dole osi odchodzi od niej w prawo linia pozioma, przy której jest oznaczenie energii elektronu duże E z indeksem dolnym małe k. Wyżej jest podobna pozioma linia z oznaczeniem energii elektronu duże E z indeksem dolnym małe n. Linie te symbolizują dwa dozwolone stany energetyczne elektronu w atomie. Od dolnej linii do górnej narysowana jest pionowa strzałka skierowana w górę. Obok z prawej strony jest falista linia ze strzałką skierowaną w lewo, która symbolizuje lecący foton. Pod nią jest napis: pochłonięcie fotonu o energii duże E z indeksem dolnym małe f równa się duże E z indeksem dolnym małe n minus duże E z indeksem dolnym małe k.

Elektron może znaleźć się na wyższym poziomie energetycznym, pochłaniając foton o odpowiedniej energii, równej dokładnie różnicy między poziomem końcowym i początkowym (Rys. 3b). Zarówno podczas emisji, jak i absorpcji fotonu przez atom, spełniona jest zasada zachowania energii. Absorpcja to inaczej pochłanianie. Widmo absorpcyjne powstaje, gdy białe światło, o ciągłym widmie, przechodzi przez chłodny gaz. Atomy gazu pochłaniają tylko te fotony, których energie równe są różnicom między stanami energetycznymi atomów, pozostałe fotony przechodzą przez gaz bez zakłóceń. Gdy światło, które przeszło przez gaz, rozszczepimy w pryzmacie, otrzymamy widmo, w którym na ciągłym, kolorowym tle widoczne są ciemne linie. Są to linie widma absorpcyjnego (Rys. 4c).

RMt2xxUM5zbBn

Rys. 4a. Rysunek składa się z trzech jednakowych, wąskich, położonych poziomo prostokątów, leżących jeden nad drugim. W górnym prostokącie na ciemnym tle znajdują się barwne linie widmowe helu. Od lewej są to cztery linie niebieskie i zielone. Na prawo od nich jest linia żółta i przy prawym końcu dwie linie czerwone. Prostokąt położony poniżej ma wszystkie barwy tęczy przechodzące jedna w drugą. Od lewej strony jest fioletowy, dalej niebieski, zielony, żółty, pomarańczowy i od strony prawej czerwony. Tło prostokąta położonego najniżej ma wszystkie barwy tęczy przechodzące jedna w drugą. Od lewej strony jest fioletowy, dalej niebieski, zielony, żółty, pomarańczowy i od strony prawej czerwony. Na tym tle jest kilka czarnych linii. Położenie tych linii jest takie samo, jak położenie linii widmowych na najwyższym prostokącie.

Analizując Rys. 4., widzimy, że ciemne linie absorpcyjne helu (Rys. 4c) występują dla tych samych długości fal, co jasne linie emisyjne (Rys. 4a). Długość fali promieniowania związana jest z energią fotonu wzorem:

gdzie $\lambda$ jest długością fali, $c$ = 3 · 10Indeks górny 8⁸ m/s – prędkością światła, $h$ – stałą Plancka, $h$ = 6,63 · 10Indeks górny -34^-34 J·s lub 4,14 · 10Indeks górny -15^-15eVElektronowolt (eV)eV·s.

Jednakowym długościom fal w widmie emisyjnym i absorpcyjnym odpowiadają więc jednakowe energie fotonów emitowanych i pochłanianych przez atomy. Bez względu na to, czy foton jest pochłaniany czy emitowany przez atom, jego energia jest równa różnicy między energiami dozwolonych poziomów energetycznych w atomie. Poziomy energetyczne są charakterystyczne dla każdego atomu. Widmo emisyjne i absorpcyjne jest „kodem kreskowym” pierwiastka. Analizując widma promieniowania pochodzącego z odległych obiektów – Słońca, gwiazd, galaktyk, możemy określić ich skład chemiczny.

Przykład takiej analizy pokazany jest na (Rys. 5.). Górna część to widmo światła słonecznego. Na tle widma ciągłego widzimy ciemne linie absorpcyjne (tzw. linie Fraunhofera). Powstały one, gdy promieniowanie przechodziło przez atmosferę Słońca i atomy w niej zawarte pochłonęły fotony o charakterystycznych dla tych atomów energiach i długościach fal. Poniżej widzimy widma emisyjne kilku pierwiastków: wodoru, helu, rtęci i uranu. Porównując długości fal linii absorpcyjnych w świetle słonecznym z liniami emisyjnymi wodoru, możemy zauważyć, że linia F w widmie słonecznym odpowiada niebieskiej linii emisyjnej wodoru o tej samej długości fali. Linia C również ma swój odpowiednik (czerwoną linię) w widmie emisyjnym wodoru. Natomiast linia D oprócz podwójnej linii sodu (DIndeks dolny 1₁ i DIndeks dolny 2₂) zawiera też blisko leżącą linię helu DIndeks dolny 3₃, która odpowiada żółtej linii w emisyjnym widmie helu.

R5zwBfb1d6YOz

Rys. 5. Na górze rysunku jest widmo  światła słonecznego z liniami absorpcyjnymi, czyli czarne linie na tle o wszystkich barwach tęczy przechodzących jedna w drugą. Poniżej są cztery widma emisyjne: wodoru, helu, rtęci i uranu, które składają się z barwnych linii na ciemnym tle. Niektóre z tych linii mają takie samo położenie, jak linie absorpcyjne światła słonecznego.

Obecnie znanych jest około 25 tysięcy linii absorpcyjnych w widmie słonecznym, z których ponad 75% udało się przyporządkować do określonych pierwiastków.

Na podstawie natężenia linii widmowych można ustalić skład chemiczny atmosfery słonecznej. Wodór i hel, czyli dwa najlżejsze pierwiastki stanowią 97% masy Słońca, ale stwierdzono obecność niewielkich ilości wielu cięższych pierwiastków, jak magnez, sód, żelazo, wapń i inne.

Słowniczek