ČO JE EMISNÉ SPEKTRUM? (S PRÍKLADMI) - FYZICKÝ - 2026

Emisné spektrum je spektrum vlnových dĺžok svetla emitovaného atómov a molekúl pri vytváraní prechode medzi dvoma energetickými stavmi. Biele alebo viditeľné svetlo dopadajúce na hranol sa rozpadá na rôzne farby so špecifickými vlnovými dĺžkami pre každú farbu. Vzor farieb, ktorý sa získa, je viditeľné spektrum žiarenia svetla nazývané emisné spektrum.

Atómy, molekuly a látky majú tiež emisné spektrum v dôsledku emisie svetla, keď absorbujú príslušné množstvo energie zvonka na prechod medzi dvoma energetickými stavmi. Prechodom tohto svetla cez hranol sa rozkladá na spektrálne farebné čiary s rôznymi vlnovými dĺžkami špecifickými pre každý prvok.

Dôležitosť emisného spektra je v tom, že umožňuje určiť zloženie neznámych látok a astronomických objektov pomocou analýzy ich spektrálnych čiar s použitím techník emisnej spektroskopie.

Ďalej je vysvetlené, z čoho emisné spektrum pozostáva a ako je interpretované, sú uvedené niektoré príklady a rozdiely, ktoré existujú medzi emisným spektrom a absorpčným spektrom.

Čo je emisné spektrum?

Atómy prvku alebo látky majú elektróny a protóny, ktoré sú držané pohromade príťažlivou elektromagnetickou silou. Podľa Bohrovho modelu sú elektróny usporiadané tak, že energia atómu je najnižšia možná. Táto úroveň energetickej energie sa nazýva základný stav atómu.

Keď atómy získajú energiu zvonka, elektróny sa posunú smerom k vyššej energetickej úrovni a atóm zmení svoj základný stav na vzrušený stav.

V excitovanom stave je doba zotrvania elektrónu veľmi krátka (≈ 10-8 s) (1), atóm je nestabilný a vracia sa do základného stavu, v prípade potreby prechádza medziľahlými úrovňami energie.

Obrázok 1. a) Emisia fotónu v dôsledku prechodu atómu medzi úrovňou excitačnej energie a úrovňou základnej energie. b) emisia fotónov v dôsledku prechodu atómu medzi strednými úrovňami energie.

V procese prechodu z excitovaného stavu do základného stavu atóm vyžaruje fotón svetla s energiou rovnajúcou sa energetickému rozdielu medzi týmito dvoma stavmi, ktorý je priamo úmerný frekvencii pozorovanej nepriamo úmerne jej vlnovej dĺžke λ.

Vyžarovaný fotón sa zobrazuje ako svetlá čiara, ktorá sa nazýva spektrálna čiara (2), a distribúcia spektrálnej energie zo súboru emitovaných fotónov pri prechodoch atómov je emisné spektrum.

Interpretácia emisného spektra

Niektoré z prechodov atómu sú spôsobené zvýšením teploty alebo prítomnosťou iných vonkajších zdrojov energie, ako je lúč svetla, prúd elektrónov alebo chemická reakcia.

Ak je plyn, ako je vodík, vložený do komory pri nízkom tlaku a elektrický prúd prechádza komorou, plyn bude vyžarovať svetlo svojou vlastnou farbou, ktorá ho odlišuje od iných plynov.

Pri prechode vyžarovaného svetla cez hranol sa namiesto získania dúhy svetla získajú diskrétne jednotky vo forme farebných čiar so špecifickými vlnovými dĺžkami, ktoré nesú diskrétne množstvo energie.

Čiary emisného spektra sú jedinečné v každom prvku a jeho použitie zo spektroskopickej techniky umožňuje určiť zloženie prvkov neznámej látky a zloženie astronomických objektov pomocou analýzy vlnových dĺžok emitovaných fotónov. počas prechodu atómu.

Rozdiel medzi emisným spektrom a absorpčným spektrom.

V absorpčných a emisných procesoch má atóm prechody medzi dvoma energetickými stavmi, ale v absorpcii získava energiu zvonka a dosahuje stav excitácie.

Spektrálna čiara vyžarovania je oproti kontinuálnemu spektru bieleho svetla. V prvom prípade je spektrálne rozdelenie pozorované vo forme svetlých čiar a v druhom je pozorovaný súvislý pás farieb.

Ak lúč bieleho svetla dopadne na plyn, napríklad vodík, uzavretý v komore pri nízkom tlaku, plyn absorbuje iba časť svetla a zvyšok sa prenesie.

Keď prechádzajúce svetlo prechádza hranolom, rozkladá sa na spektrálne čiary, každá s inou vlnovou dĺžkou, čím vytvára absorpčné spektrum plynu.

Absorpčné spektrum je úplne proti emisnému spektru a je špecifické aj pre každý prvok. Pri porovnaní oboch spektier toho istého prvku sa pozoruje, že emisné spektrálne čiary sú tie, ktoré v absorpčnom spektre chýbajú (obrázok 2).

Obrázok 2. a) Emisné spektrum a b) Absorpčné spektrum (Autor: Stkl. Zdroj: https://commons.wikimedia.org/wiki/Main_Page)

Príklady emisných spektier chemických prvkov

a) Spektrálnymi čiarami atómu vodíka vo viditeľnej oblasti spektra sú červená čiara 656,3 nm, svetlo modrá 486,1 nm, tmavo modrá farba 434 nm a veľmi slabá fialová farba 410 nm. Tieto vlnové dĺžky sa získavajú z Balmerovej - Rydbergovej rovnice v jej modernej verzii (3).

je vlnové číslo spektrálnej čiary

je Rydbergova konštanta (109666,56 cm-1)

je najvyššia úroveň energie

je najvyššia úroveň energie

Obrázok 3. Emisné spektrum vodíka (Autor: Adrignola. Zdroj: commons.wikimedia.org

b) Emisné spektrum hélia má dve série hlavných línií, jednu vo viditeľnej oblasti a druhú v blízkosti ultrafialového žiarenia. Peterson (4) použil Bohr model na výpočet série emisných čiar hélia vo viditeľnej časti spektra ako výsledok niekoľkých súčasných prechodov dvoch elektrónov do stavu n = 5 a získaných hodnôt vlnovej dĺžky v súlade s experimentálnymi výsledkami. Získané vlnové dĺžky sú 468,8 nm, 450,1 nm, 426,3 nm, 418,4 nm, 412,2 nm, 371,9 nm.

c) Emisné spektrum sodíka má dve veľmi svetlé čiary 589 nm a 589,6 nm nazývané D čiary (5). Ostatné riadky sú oveľa slabšie ako tieto a z praktických dôvodov sa všetko sodíkové svetlo považuje za pochádzajúce z D čiar.

Referencie

1. Meranie životnosti excitovaných stavov atómu vodíka. VA Ankudinov, SV Bobashev a EP Andreev. 1, 1965, Soviet Physics JETP, zv. 21, str. 26-32.
2. Demtröder, W. Laserová spektroskopia 1. Kaiserslautern: Springer, 2014.
3. DKRai, SN Thakur a. Atóm, laser a spektroskopia. New Delhi: Phi Learning, 2010.
4. Bohr Revisited: Modelové a perspektívne línie hélia. Peterson, C. 5, 2016, Journal of mladých vyšetrovateľov, zväzok 30, str. 32-35.
5. Žurnál chemického vzdelávania. JR Appling, FJ Yonke, RA Edgington a S. Jacobs. 3, 1993, zv. 70, str. 250-251.