Спектральная линия - Spectral line
Спектральная линия является темной или яркой линией в противном случае равномерного и непрерывный спектр , в результате испускания или поглощений из света в узком диапазоне частот, по сравнению с соседними частотами. Спектральные линии часто используются для идентификации атомов и молекул . Эти «отпечатки пальцев» можно сравнить с ранее собранными «отпечатками пальцев» атомов и молекул, и, таким образом, они используются для идентификации атомных и молекулярных компонентов звезд и планет , что в противном случае было бы невозможно.
Типы линейчатых спектров
Спектральные линии являются результатом взаимодействия между квантовой системой (обычно атомами , но иногда молекулами или атомными ядрами ) и одиночным фотоном . Когда фотон имеет примерно необходимое количество энергии (которое связано с его частотой), позволяющее изменить энергетическое состояние системы (в случае атома это обычно электрон, меняющий орбитали ), фотон поглощается. Затем он будет спонтанно переизлучен либо на той же частоте, что и исходный, либо в каскаде, где сумма энергий испускаемых фотонов будет равна энергии поглощенного (при условии, что система вернется к исходному состоянию. штат).
Спектральная линия может наблюдаться либо как линии излучения или линии поглощения . Тип наблюдаемой линии зависит от типа материала и его температуры относительно другого источника излучения. Линия поглощения образуется, когда фотоны от горячего источника с широким спектром проходят через холодный материал. Интенсивность света в узком частотном диапазоне снижается из-за поглощения материалом и повторного излучения в случайных направлениях. Напротив, яркая линия излучения возникает, когда фотоны от горячего материала обнаруживаются в присутствии широкого спектра от холодного источника. Интенсивность света в узком частотном диапазоне увеличивается из-за излучения материала.
Спектральные линии сильно зависят от атома и могут использоваться для определения химического состава любой среды, способной пропускать свет через нее. Спектроскопическими методами были обнаружены несколько элементов, в том числе гелий , таллий и цезий . Спектральные линии также зависят от физических условий газа, поэтому они широко используются для определения химического состава звезд и других небесных тел, которые не могут быть проанализированы другими способами, а также их физического состояния.
Спектральные линии могут образовываться не только при взаимодействии атома с фотоном, но и при других механизмах. В зависимости от точного физического взаимодействия (с молекулами, отдельными частицами и т. Д.) Частота задействованных фотонов будет широко варьироваться, и можно наблюдать линии по всему электромагнитному спектру , от радиоволн до гамма-лучей .
Номенклатура
Сильные спектральные линии в видимой части спектра часто имеют уникальное обозначение линии фраунгофера , например, K для линии с длиной волны 393,366 нм, возникающей из однократно ионизированного Ca + , хотя некоторые из «линий» фраунгофера представляют собой смесь нескольких линий из нескольких разные виды . В других случаях линии обозначают в соответствии с уровнем ионизации путем добавления римской цифры к обозначению химического элемента . Нейтральные атомы обозначаются римской цифрой I, однократно ионизированные атомы - II и так далее, так что, например, Fe IX представляет собой восьмикратно ионизированное железо .
Более подробные обозначения обычно включают длину волны линии и могут включать номер мультиплета (для атомных линий) или обозначение полосы (для молекулярных линий). Многие спектральные линии атомарного водорода также имеют обозначения в соответствующих сериях , например, серия Лаймана или серия Бальмера . Первоначально все спектральные линии были разделены на серию: основная серия , серия Sharp и серии Диффузных . Эти серии существуют для атомов всех элементов, и закономерности для всех атомов хорошо предсказываются формулой Ридберга-Ритца . Позднее эти серии стали ассоциироваться с суборбиталями.
Уширение и смещение линии
Существует ряд эффектов, управляющих формой спектральной линии . Спектральная линия простирается в диапазоне частот, а не на одной частоте (т. Е. Имеет ненулевую ширину линии). Кроме того, его центр может быть смещен от номинальной центральной длины волны. Это расширение и сдвиг объясняется несколькими причинами. Эти причины можно разделить на две общие категории - расширение из-за местных условий и расширение из-за расширенных условий. Расширение из-за местных условий происходит из-за эффектов, которые сохраняются в небольшой области вокруг излучающего элемента, обычно достаточно малой, чтобы обеспечить локальное термодинамическое равновесие . Расширение из-за расширенных условий может быть результатом изменений спектрального распределения излучения, когда оно проходит путь к наблюдателю. Это также может быть результатом объединения излучения ряда удаленных друг от друга регионов.
Расширение из-за местного воздействия
Естественное уширение
Время жизни возбужденных состояний приводит к естественному уширению, также известному как уширение за время жизни. Принцип неопределенности связывает время жизни возбужденного состояния (из-за спонтанного радиационного распада или оже-процесса ) с неопределенностью его энергии. Некоторые авторы используют термин «радиационное уширение» для обозначения части естественного уширения, вызванного спонтанным радиационным распадом. Короткое время жизни будет иметь большую неопределенность энергии и широкую эмиссию. Этот эффект уширения приводит к несмещенному лоренцеву профилю . Естественное уширение можно экспериментально изменить только в той степени, в которой скорость распада может быть искусственно подавлена или увеличена.
Тепловое доплеровское уширение
Атомы в газе, излучающие излучение, будут иметь распределение по скоростям. Каждый испускаемый фотон будет "красным" или "синим", смещенным эффектом Доплера в зависимости от скорости атома относительно наблюдателя. Чем выше температура газа, тем шире распределение скоростей в газе. Поскольку спектральная линия представляет собой комбинацию всего испускаемого излучения, чем выше температура газа, тем шире спектральная линия, излучаемая этим газом. Этот эффект уширения описывается гауссовым профилем, и связанного с ним сдвига нет.
Расширение давления
Присутствие соседних частиц повлияет на излучение, испускаемое отдельной частицей. Это происходит в двух предельных случаях:
- Расширение ударного давления или столкновительное расширение : столкновение других частиц со светоизлучающей частицей прерывает процесс излучения и, сокращая характерное время процесса, увеличивает неопределенность в излучаемой энергии (как это происходит при естественном расширении). Продолжительность столкновения намного короче, чем время эмиссионного процесса. Этот эффект зависит как от плотности, так и от температуры газа. Эффект уширения описывается лоренцевым профилем, и может быть связанный с ним сдвиг.
- Расширение квазистатического давления : присутствие других частиц сдвигает уровни энергии в излучающей частице, тем самым изменяя частоту испускаемого излучения. Продолжительность воздействия намного больше, чем время процесса эмиссии. Этот эффект зависит от плотности газа, но не зависит от температуры . Форма профиля линии определяется функциональной формой возмущающей силы по отношению к расстоянию от возмущающей частицы. Также может быть смещение центра линии. Общее выражение для формы линии, возникающей в результате квазистатического расширения давления, является 4-параметрическим обобщением гауссова распределения, известного как устойчивое распределение .
Расширение давления также можно классифицировать по характеру возмущающей силы следующим образом:
- Линейное штарковское уширение происходит через линейный эффект Штарка , который возникает в результате взаимодействия эмиттера с электрическим полем заряженной частицы на расстоянии , вызывая сдвиг энергии, линейный по напряженности поля.
- Резонансное уширение происходит, когда возмущающая частица принадлежит к тому же типу, что и излучающая частица, что вводит возможность процесса обмена энергией.
- Квадратичное штарковское уширение происходит через квадратичный эффект Штарка , который возникает в результате взаимодействия эмиттера с электрическим полем, вызывающего сдвиг энергии, квадратичный по напряженности поля.
- Уширение Ван-дер-Ваальса происходит, когда излучающая частица возмущается силами Ван-дер-Ваальса . В квазистатическом случае профиль Ван-дер-Ваальса часто бывает полезен для описания профиля. Сдвиг энергии как функция расстояния задается в крыльях, например, потенциалом Леннарда-Джонса .
Неоднородное уширение
Неоднородное уширение - это общий термин для обозначения уширения, потому что некоторые излучающие частицы находятся в другой локальной среде, чем другие, и поэтому излучают с другой частотой. Этот термин используется особенно для твердых тел, где поверхности, границы зерен и вариации стехиометрии могут создавать множество локальных сред, которые может занимать данный атом. В жидкостях эффекты неоднородного уширения иногда уменьшаются за счет процесса, называемого двигательным сужением .
Расширение из-за нелокальных эффектов
Определенные типы уширения являются результатом условий в большой области пространства, а не просто условий, которые являются локальными для излучающей частицы.
Увеличение непрозрачности
Электромагнитное излучение, испускаемое в определенной точке пространства, может повторно поглощаться при перемещении в пространстве. Это поглощение зависит от длины волны. Линия уширена, потому что фотоны в центре линии имеют большую вероятность обратного поглощения, чем фотоны на крыльях линии. Действительно, реабсорбция вблизи центра линии может быть настолько большой, что вызывает самообращение, при котором интенсивность в центре линии меньше, чем в крыльях. Этот процесс также иногда называют самопоглощением .
Макроскопическое доплеровское уширение
Излучение, испускаемое движущимся источником, подвержено доплеровскому сдвигу из-за конечной проекции лучевой скорости. Если разные части излучающего тела имеют разные скорости (вдоль луча зрения), результирующая линия будет расширена, причем ширина линии будет пропорциональна ширине распределения скорости. Например, излучение, испускаемое удаленным вращающимся телом, таким как звезда , будет расширено из-за изменений скорости на луче зрения на противоположных сторонах звезды. Чем больше скорость вращения, тем шире линия. Другой пример - взрывающаяся плазменная оболочка в Z-пинче .
Комбинированные эффекты
Каждый из этих механизмов может действовать изолированно или в сочетании с другими. Предполагая, что каждый эффект независим, наблюдаемый профиль линии представляет собой свертку профилей линий каждого механизма. Например, комбинация теплового доплеровского уширения и уширения ударного давления дает профиль Фойгта .
Однако разные механизмы расширения линий не всегда независимы. Например, эффекты столкновения и двигательные доплеровские сдвиги могут действовать согласованным образом, приводя в некоторых условиях даже к столкновительному сужению , известному как эффект Дике .
Спектральные линии химических элементов
Группы
Фраза «спектральные линии», если она не определена, обычно относится к линиям, имеющим длины волн в видимой полосе полного электромагнитного спектра . Многие спектральные линии встречаются на длинах волн вне этого диапазона. При более коротких длинах волн, соответствующих более высокие энергии, ультрафиолетовые спектральные линии включают в себя серию Лаймана из водорода . На гораздо более коротких длинах волн рентгеновских лучей линии известны как характеристические рентгеновские лучи, потому что они остаются в значительной степени неизменными для данного химического элемента, независимо от их химического окружения. Более длинные волны соответствуют более низким энергиям, где инфракрасные спектральные линии включают серию Пашена водорода. На еще более длинных волнах радиоспектр включает линию 21 см, используемую для обнаружения нейтрального водорода во всем космосе .
Видимый свет
Для каждого элемента в следующей таблице показаны спектральные линии, которые появляются в видимом спектре примерно на 400-700 нм.
Элемент | Z | Условное обозначение | Спектральные линии | |
---|---|---|---|---|
водород | 1 | ЧАС | ||
гелий | 2 | Он | ||
литий | 3 | Ли | ||
бериллий | 4 | Быть | ||
бор | 5 | B | ||
углерод | 6 | C | ||
азот | 7 | N | ||
кислород | 8 | О | ||
фтор | 9 | F | ||
неон | 10 | Ne | ||
натрий | 11 | Na | ||
магний | 12 | Mg | ||
алюминий | 13 | Al | ||
кремний | 14 | Si | ||
фосфор | 15 | п | ||
сера | 16 | S | ||
хлор | 17 | Cl | ||
аргон | 18 | Ar | ||
калий | 19 | K | ||
кальций | 20 | Ca | ||
скандий | 21 год | Sc | ||
титан | 22 | Ti | ||
ванадий | 23 | V | ||
хром | 24 | Cr | ||
марганец | 25 | Mn | ||
железо | 26 | Fe | ||
кобальт | 27 | Co | ||
никель | 28 год | Ni | ||
медь | 29 | Cu | ||
цинк | 30 | Zn | ||
галлий | 31 год | Ga | ||
германий | 32 | Ge | ||
мышьяк | 33 | В качестве | ||
селен | 34 | Se | ||
бром | 35 год | Br | ||
криптон | 36 | Kr | ||
рубидий | 37 | Руб. | ||
стронций | 38 | Sr | ||
иттрий | 39 | Y | ||
цирконий | 40 | Zr | ||
ниобий | 41 год | Nb | ||
молибден | 42 | Пн | ||
технеций | 43 год | Tc | ||
рутений | 44 год | RU | ||
родий | 45 | Rh | ||
палладий | 46 | Pd | ||
Серебряный | 47 | Ag | ||
кадмий | 48 | CD | ||
индий | 49 | В | ||
банка | 50 | Sn | ||
сурьма | 51 | Sb | ||
теллур | 52 | Te | ||
йод | 53 | я | ||
ксенон | 54 | Xe | ||
цезий | 55 | CS | ||
барий | 56 | Ба | ||
лантан | 57 год | Ла | ||
церий | 58 | Ce | ||
празеодим | 59 | Pr | ||
неодим | 60 | Nd | ||
прометий | 61 | Вечера | ||
самарий | 62 | См | ||
европий | 63 | ЕС | ||
гадолиний | 64 | Б-г | ||
тербий | 65 | Tb | ||
диспрозий | 66 | Dy | ||
гольмий | 67 | Хо | ||
эрбий | 68 | Э | ||
тулий | 69 | Тм | ||
иттербий | 70 | Yb | ||
лютеций | 71 | Лу | ||
гафний | 72 | Hf | ||
тантал | 73 | Та | ||
вольфрам | 74 | W | ||
рений | 75 | Re | ||
осмий | 76 | Операционные системы | ||
иридий | 77 | Ir | ||
платина | 78 | Pt | ||
золото | 79 | Au | ||
таллий | 81 год | Tl | ||
привести | 82 | Pb | ||
висмут | 83 | Би | ||
полоний | 84 | По | ||
радон | 86 | Rn | ||
радий | 88 | Ра | ||
актиний | 89 | Ac | ||
торий | 90 | Чт | ||
протактиний | 91 | Па | ||
уран | 92 | U | ||
нептуний | 93 | Np | ||
плутоний | 94 | Пу | ||
америций | 95 | Являюсь | ||
кюрий | 96 | См | ||
берклий | 97 | Bk | ||
калифорний | 98 | Cf | ||
эйнштейний | 99 | Es |
Смотрите также
- Спектр поглощения
- Атомная спектральная линия
- Модель Бора
- Электронная конфигурация
- Спектр излучения
- преобразование Фурье
- Линия фраунгофера
- Таблица спектров излучения газоразрядных ламп
- Трубопровод водорода ( линия 21 см)
- Спектральная серия водорода
- Спектроскопия
- Сплаталог
Примечания
использованная литература
дальнейшее чтение
- Грим, Ханс Р. (1997). Принципы плазменной спектроскопии . Кембридж: Издательство университета. ISBN 0-521-45504-9.
- Грим, Ханс Р. (1974). Уширение спектральной линии плазмой . Нью-Йорк: Academic Press . ISBN 0-12-302850-7.
- Грим, Ганс Р. (1964). Плазменная спектроскопия . Нью-Йорк: книжная компания McGraw-Hill.