Emisyon spektrumu - Emission spectrum

Metal halojenür lambanın emisyon spektrumu.
589 nm D'nin bir gösterimi2 (sol) ve 590 nm D1 (sağda) alevde tuzlu su bulunan bir fitil kullanarak sodyum D hatları emisyonu

Emisyon spektrumu bir kimyasal element veya kimyasal bileşik spektrumu frekanslar nın-nin Elektromanyetik radyasyon nedeniyle yayıldı atom veya molekül yapan bir geçiş yüksek enerji durumundan daha düşük enerji durumuna. foton enerjisi yayılan foton iki durum arasındaki enerji farkına eşittir. Her atom için birçok olası elektron geçişi vardır ve her geçişin belirli bir enerji farkı vardır. Bu farklı geçişler koleksiyonu, farklı ışıma dalga boyları, bir emisyon spektrumu oluşturun. Her elementin emisyon spektrumu benzersizdir. Bu nedenle, spektroskopi bilinmeyen bileşimlerdeki öğeleri tanımlamak için kullanılabilir. Benzer şekilde, moleküllerin emisyon spektrumları, maddelerin kimyasal analizinde kullanılabilir.

Emisyon

İçinde fizik, emisyon, bir parçacığın daha yüksek enerjili kuantum mekanik durumunun, bir parçacığın emisyonu yoluyla daha düşük olana dönüştürülmesidir foton, üretimi ile sonuçlanan ışık. Yayılan ışığın frekansı, geçiş enerjisinin bir fonksiyonudur.

Enerjinin korunması gerektiğinden, iki durum arasındaki enerji farkı, foton tarafından taşınan enerjiye eşittir. Geçişlerin enerji durumları, çok geniş bir frekans aralığında emisyonlara neden olabilir. Örneğin, görülebilir ışık atomlar ve moleküllerdeki elektronik durumların birleşmesi ile yayılır (bu durumda fenomen denir floresan veya fosforesans ). Öte yandan, nükleer kabuk geçişleri yüksek enerji yayabilir Gama ışınları nükleer spin geçişleri düşük enerji yayarken Radyo dalgaları.

yayma Bir nesnenin değeri, onun tarafından ne kadar ışık yayıldığını ölçüyor. Bu, nesnenin diğer özellikleriyle ilgili olabilir. Stefan – Boltzmann yasası Çoğu madde için emisyon miktarı, sıcaklık ve spektroskopik kompozisyon görünümüne yol açan nesnenin renk sıcaklığı ve emisyon hatları. Birçok dalga boyunda yapılan hassas ölçümler, bir maddenin emisyon spektroskopisi.

Radyasyon emisyonu tipik olarak yarı klasik kuantum mekaniği kullanılarak tanımlanır: parçacığın enerji seviyeleri ve aralıkları aşağıdakilerden belirlenir Kuantum mekaniği ve ışık, sistemin doğal frekansı ile rezonans içindeyse bir geçişi sürdürebilen salınımlı bir elektrik alanı olarak ele alınır. Kuantum mekaniği problemi, zamana bağlı olarak ele alınır. pertürbasyon teorisi ve şu şekilde bilinen genel sonuca götürür: Fermi'nin altın kuralı. Açıklamanın yerini aldı kuantum elektrodinamiği yarı klasik versiyon çoğu pratik hesaplamada daha kullanışlı olmaya devam etse de.

Kökenler

Ne zaman elektronlar atomda, örneğin ısıtılarak heyecanlanır, ek enerji elektronları daha yüksek enerjili orbitallere iter. Elektronlar geri düştüğünde ve uyarılmış durumdan çıktığında, enerji bir formda yeniden yayılır. foton. Fotonun dalga boyu (veya eşdeğer olarak frekansı), iki durum arasındaki enerji farkıyla belirlenir. Yayılan bu fotonlar elementin spektrumunu oluşturur.

Bir elementin atomik emisyon spektrumunda yalnızca belirli renklerin görünmesi, ışığın yalnızca belirli frekanslarının yayıldığı anlamına gelir. Bu frekansların her biri aşağıdaki formülle enerjiyle ilgilidir:

,

nerede fotonun enerjisidir, onun Sıklık, ve dır-dir Planck sabiti Bu, yalnızca fotonlar belirli enerjiler atom tarafından yayılır. Atomik emisyon spektrumu ilkesi, çeşitli renkleri açıklar. neon işaretler yanı sıra kimyasal alev testi sonuçlar (aşağıda açıklanmıştır).

Bir atomun yayabileceği ışık frekansları, elektronların içinde bulunabileceği durumlara bağlıdır. Uyarıldığında, bir elektron daha yüksek bir enerji düzeyine veya yörüngeye hareket eder. Elektron zemin seviyesine geri düştüğünde ışık yayılır.

Emisyon spektrumu hidrojen

Yukarıdaki resim görünen ışığı göstermektedir hidrojen için emisyon spektrumu. Yalnızca tek bir hidrojen atomu mevcut olsaydı, belirli bir anda yalnızca tek bir dalga boyu gözlemlenebilirdi. Muhtemel emisyonların birçoğu gözlenir çünkü numune, farklı başlangıç ​​enerji durumlarında olan ve farklı nihai enerji durumlarına ulaşan birçok hidrojen atomu içerir. Bu farklı kombinasyonlar, farklı dalga boylarında eşzamanlı emisyonlara yol açar.

Emisyon spektrumu Demir

Moleküllerden radyasyon

Yukarıda tartışılan elektronik geçişlerin yanı sıra, bir molekülün enerjisi de şu yolla değişebilir: rotasyonel, titreşim, ve vibronik (birleşik titreşim ve elektronik) geçişler. Bu enerji geçişleri çoğu zaman birbirlerinden çok farklı spektral çizgiler, olarak bilinir spektral bantlar. Çözümlenmemiş bant spektrumları, spektral bir süreklilik olarak görünebilir.

Emisyon spektroskopisi

Işık, farklı dalga boylarındaki elektromanyetik radyasyondan oluşur. Bu nedenle, elementler veya bileşikleri bir alevle veya bir elektrik arkı ile ısıtıldığında, ışık şeklinde enerji yayarlar. Bu ışığın analizi, bir spektroskop bize süreksiz bir spektrum verir. Spektroskop veya spektrometre, farklı dalga boylarına sahip ışık bileşenlerini ayırmak için kullanılan bir araçtır. Spektrum, çizgi spektrumu adı verilen bir dizi çizgide görünür. Bu çizgi spektrumu, elemental formdaki bir atomdan kaynaklandığında atomik spektrum olarak adlandırılır. Her elementin farklı bir atom spektrumu vardır. Bir elementin atomları tarafından çizgi spektrumlarının üretilmesi, bir atomun yalnızca belirli bir miktarda enerji yayabileceğini gösterir. Bu, bağlı elektronların herhangi bir miktarda enerjiye sahip olamayacağı, yalnızca belirli bir miktarda enerjiye sahip olduğu sonucuna götürür.

Emisyon spektrumu, her biri için farklı olduğu için bir malzemenin bileşimini belirlemek için kullanılabilir. element of periyodik tablo. Bir örnek astronomik spektroskopi: bileşimini tanımlama yıldızlar Bazı elementlerin emisyon spektrumu özellikleri, bu elementler ısıtıldığında çıplak gözle açıkça görülebilir. Örneğin, platin tel bir stronsiyum nitrat çözeltisi ve daha sonra bir aleve sokulduğunda, stronsiyum atomları kırmızı bir renk yayar. Benzer şekilde, ne zaman bakır bir aleve sokulursa alev yeşile döner. Bu kesin özellikler, elementlerin atomik emisyon spektrumları ile tanımlanmasına izin verir. Spektrum aynı zamanda ultraviyole ışınları ve kızılötesi aydınlatmayı da içerdiğinden, yayılan ışıkların tümü çıplak gözle algılanamaz. Uyarılmış bir gaza doğrudan bir spektroskopla bakıldığında bir emisyon oluşur.

Şematik diyagramı kendiliğinden emisyon

Emisyon spektroskopisi bir spektroskopik dalga boylarını inceleyen teknik fotonlar atomlardan veya moleküllerden geçişleri sırasında yayılırlar. heyecanlı durum daha düşük bir enerji durumuna. Her eleman, kendisine göre karakteristik bir ayrı dalga boyu seti yayar. elektronik yapı ve bu dalga boylarını gözlemleyerek numunenin temel bileşimi belirlenebilir. 19. yüzyılın sonlarında emisyon spektroskopisi geliştirildi ve atomik emisyon spektrumlarının teorik olarak açıklanmasına yönelik çabalar sonunda Kuantum mekaniği.

Atomların uyarılmış bir duruma getirilmesinin birçok yolu vardır. Elektromanyetik radyasyon ile etkileşim, floresans spektroskopisi protonlar veya diğer daha ağır parçacıklar Partikül Kaynaklı X-ışını Emisyonu ve elektronlar veya X-ışını fotonları Enerji Dağılımlı X-ışını Spektroskopisi veya X-ışını floresansı. En basit yöntem, numuneyi yüksek bir sıcaklığa ısıtmaktır, bundan sonra uyarılar numune atomları arasındaki çarpışmalarla üretilir. Bu yöntem, alev emisyon spektroskopisi ve aynı zamanda tarafından kullanılan yöntemdi Anders Jonas Ångström 1850'lerde ayrı emisyon hatları fenomenini keşfettiğinde.[1]

Emisyon çizgileri, nicelenmiş enerji durumları arasındaki bir geçişten kaynaklansa da ve ilk başta çok keskin görünseler de, sonlu bir genişliğe sahiptirler, yani birden fazla dalga boyundaki ışıktan oluşurlar. Bu spektral çizgi genişlemesi birçok farklı nedeni vardır.

Emisyon spektroskopisi genellikle şu şekilde anılır: optik emisyon spektroskopisi yayılan şeyin hafif doğası nedeniyle.

Daha fazla bilgi: Atomik emisyon spektroskopisi

Tarih

Daha fazla bilgi: Spektroskopinin tarihi

1756'da Thomas Melvill, farklı renk desenlerinin yayıldığını gözlemledi. tuzlar eklendi alkol alevler.[2] 1785 tarafından James Gregory kırınım ızgarasının ilkelerini ve Amerikalı astronomu keşfetti David Rittenhouse ilk mühendisliği yaptı kırınım ızgarası.[3][4] 1821'de Joseph von Fraunhofer dalgaboyu kaynağı olarak bir prizmayı değiştirmenin bu önemli deneysel sıçramasını sağlamlaştırdı dağılım geliştirmek spektral çözünürlük ve dağınık dalga boylarının ölçülmesine izin vermek.[5]

1835'te, Charles Wheatstone farklı metallerin emisyon spektrumlarında parlak çizgilerle ayırt edilebileceğini bildirdi. kıvılcımlar, böylece alev spektroskopisine bir alternatif sunar.[6][7]1849'da, J. B. L. Foucault deneysel olarak gösterdi ki absorpsiyon ve aynı dalga boyundaki emisyon çizgilerinin her ikisi de aynı malzemeden kaynaklanmaktadır, ikisi arasındaki fark ışık kaynağının sıcaklığından kaynaklanmaktadır.[8][9]1853'te İsveççe fizikçi Anders Jonas Ångström gaz spektrumları ile ilgili gözlem ve teoriler sundu.[10] Ångström, akkor bir gazın soğurabildiğiyle aynı dalga boyuna sahip ışıklı ışınlar yaydığını varsaydı. Aynı zamanda George Stokes ve William Thomson (Kelvin) benzer önermeleri tartışıyorlardı.[8] Ångström ayrıca hidrojenden emisyon spektrumunu ölçtü ve daha sonra Balmer hatları.[11][12]1854 ve 1855'te, David Alter bağımsız bir gözlem de dahil olmak üzere, metallerin ve gazların spektrumları üzerine yayınlanmış gözlemler Balmer hatları hidrojen.[13][14]

1859'da, Gustav Kirchhoff ve Robert Bunsen birkaçını fark ettim Fraunhofer hatları (güneş spektrumundaki çizgiler), ısıtılmış elemanların spektrumlarında tanımlanan karakteristik emisyon çizgileri ile çakışır.[15][16] Güneş spektrumundaki koyu çizgilerin, güneş enerjisindeki kimyasal elementler tarafından absorpsiyondan kaynaklandığı doğru bir şekilde çıkarılmıştır. güneş atmosferi.[17]

Alev emisyon spektroskopisinde deneysel teknik

Analiz edilecek ilgili maddeyi içeren çözelti brülöre çekilir ve ince bir sprey olarak aleve dağıtılır. Çözücü önce buharlaşır ve ince bir şekilde bölünür katı alevin gaz halindeki en sıcak bölgesine hareket eden parçacıklar atomlar ve iyonlar üretilmektedir. Buraya elektronlar yukarıda açıklandığı gibi heyecanlılar. Bir için yaygındır monokromatör kolay tespit için kullanılacaktır.

Basit bir düzeyde, alev emisyon spektroskopisi sadece bir alev ve metal tuzları örnekleri. Bu kalitatif analiz yöntemine a alev testi. Örneğin, sodyum aleve yerleştirilen tuzlar sodyum iyonlarından sarı renk alırken stronsiyum (yol işaret fişeklerinde kullanılır) iyonları onu kırmızıya boyar. Bakır tel mavi renkli bir alev oluşturacaktır, ancak klorür yeşil verir (CuCl'nin moleküler katkısı).

Emisyon katsayısı

Emisyon katsayısı birim zaman başına güç çıkışındaki bir katsayıdır elektromanyetik kaynak, hesaplanan bir değer fizik. Bir gazın emisyon katsayısı, dalga boyu ışığın. Ms birimlerine sahiptir−3sr−1.[18] Aynı zamanda bir ölçü olarak kullanılır. çevre MWh başına emisyon (kütlece) üretilen elektrik, görmek: Emisyon faktörü.

Işığın saçılması

İçinde Thomson saçılması yüklü bir parçacık, gelen ışık altında radyasyon yayar. Parçacık, sıradan bir atomik elektron olabilir, bu nedenle emisyon katsayılarının pratik uygulamaları vardır.

Eğer X dV dΩ dλ, hacim öğesi d tarafından saçılan enerjidirV birim zamanda λ ve λ + dλ dalga boyları arasındaki katı açı dΩ'ye, ardından Emisyon katsayı dır-dir X.

Değerleri X Thomson'da saçılma olabilir tahmin gelen akıdan, yüklü parçacıkların yoğunluğu ve bunların Thomson diferansiyel enine kesitinden (alan / katı açı).

Kendiliğinden emisyon

Yayan sıcak bir vücut fotonlar var tek renkli sıcaklığı ve toplam güç radyasyonu ile ilgili emisyon katsayısı. Buna bazen ikinci denir Einstein katsayısı ve buradan çıkarılabilir kuantum mekanik teorisi.

Ayrıca bakınız

Referanslar

  1. ^ Anonim, SynLube. "Spektroskopi Yağ Analizi". www.synlube.com. Alındı 2017-02-24.
  2. ^ Melvill, Thomas (1756). "Işık ve renkler üzerine gözlemler". Denemeler ve Gözlemler, Fiziksel ve Edebi. Edinburgh'da Bir Toplumdan Önce Okuyun,…. 2: 12–90. ; bkz. sayfa 33–36.
  3. ^ Görmek:
  4. ^ Parker AR (Mart 2005). "Optikleri yansıtmanın jeolojik tarihi". Royal Society Dergisi, Arayüz. 2 (2): 1–17. doi:10.1098 / rsif.2004.0026. PMC  1578258. PMID  16849159.
  5. ^ OpenStax Astronomy, "Astronomide Spektroskopi". OpenStax CNX. 29 Eyl 2016 http://cnx.org/contents/1f92a120-370a-4547-b14e-a3df3ce6f083@3 açık Erişim
  6. ^ Brian Bowers (2001). Sir Charles Wheatstone FRS: 1802-1875 (2. baskı). IET. s. 207–208. ISBN  978-0-85296-103-2.
  7. ^ Wheatstone (1836). "Elektrik ışığının prizmatik ayrışması hakkında". İngiliz Bilim İlerleme Derneği Beşinci Toplantısı Raporu; 1835'te Dublin'de düzenlendi. Bildiriler ve Bildiri Özetleri İngiliz Bilim İlerleme Derneği'ne Dublin Toplantısında, Ağustos 1835'te. Londra, İngiltere: John Murray. sayfa 11–12.
  8. ^ a b Marka, s. 60-62
  9. ^ Görmek:
    • Foucault, L. (1849). "Lumière électrique" [Elektrik ışığı]. Société Philomatique de Paris. Ekstra Procès-Verbaux de Séances. (Fransızca): 16–20.
    • Foucault, L. (7 Şubat 1849). "Lumière électrique" [Elektrik ışığı]. L'Institut, Journal Universel des Sciences… (Fransızcada). 17 (788): 44–46.
  10. ^ Görmek:
  11. ^ Wagner, H.J. (2005). "Erken Spektroskopi ve Balmer Hidrojen Hatları". Kimya Eğitimi Dergisi. 82 (3): 380. Bibcode:2005JChEd..82..380W. doi:10.1021 / ed082p380.1.
  12. ^ (Ångström, 1852), s. 352; (Ångström, 1855b), s. 337.
  13. ^ Retcofsky, H.L. (2003). "Spektrum Analizi Keşfi?". Kimya Eğitimi Dergisi. 80 (9): 1003. Bibcode:2003JChEd..80.1003R. doi:10.1021 / ed080p1003.1.
  14. ^ Görmek:
  15. ^ Görmek:
    • Gustav Kirchhoff (1859) "Ueber die Fraunhofer'schen Linien" (Fraunhofer'in satırlarında), Monatsbericht der Königlichen Preussische Akademie der Wissenschaften zu Berlin (Berlin Kraliyet Prusya Bilimler Akademisi'nin aylık raporu), 662–665.
    • Gustav Kirchhoff (1859) "Ueber das Sonnenspektrum" (Güneşin spektrumunda), Verhandlungen des naturhistorisch-medizinischen Vereins zu Heidelberg (Heidelberg Doğa Tarihi / Tıp Derneği Tutanakları), 1 (7) : 251–255.
  16. ^ G. Kirchhoff (1860). "Ueber die Fraunhofer'schen Linien". Annalen der Physik. 185 (1): 148–150. Bibcode:1860AnP ... 185..148K. doi:10.1002 / ve s. 18601850115.
  17. ^ G. Kirchhoff (1860). "Ueber das Verhältniss zwischen dem Emissionsvermögen und dem Absorptionsvermögen der Körper für Wärme und Licht". Annalen der Physik. 185 (2): 275–301. Bibcode:1860AnP ... 185..275K. doi:10.1002 / ve s. 18601850205.
  18. ^ Carroll, Bradley W. (2007). Modern Astrofiziğe Giriş. CA, ABD: Pearson Eğitimi. s. 256. ISBN  978-0-8053-0402-2.

Dış bağlantılar