发射光谱

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简介

原子和分子物理学涉及对原子、分子及其性质的研究。多年来，我们获得了越来越先进的技术。这些技术有助于我们表征原子和分子。虽然研究化学性质的责任在于化学家，但物理学家研究原子和分子的量子力学，并试图描述它们的能级、自旋轨道耦合以及其他各种性质。

在本教程中，我们将学习一种研究元素的优美方法，该方法涉及关注它们的发射光谱。发射光谱中可见的波长可以通过公式等同起来，从而得出我们寻求的值。

什么是发射？

发射简单来说就是排放。也就是说，物体内部的某些物质被排出或发射出来。在物理学家的世界里，发射通常指的是气体或辐射的产生和随后的排出。

例如，使用化石燃料运行的车辆会排放对大气有害的气体。另一方面，当电子和空穴在 pn 结二极管中复合时，它们会发射辐射。类似地，当电子从一个能级跃迁到另一个能级时，它们也会发射辐射。

在表征元素方面，辐射的发射是我们更关心的问题。不同能级上的电子可以跃迁到较低的能级并发射辐射。这些能级可能指的是轨道、振动能级，甚至旋转能级。只要能量发生变化，就会有辐射发射。

什么是发射光谱？

您可能知道，光谱是一系列连续的值。例如，彩虹是颜色的光谱。热水器内部的水温可以称为光谱，因为它从室温到您设置的加热器温度不等。

因此，发射光谱指的是某种化学化合物发射的电磁辐射可能具有的频率范围。每种化学元素都有不同的发射光谱，这是独一无二的。例如，H₂O₂ 和 H₂O 的光谱将完全不同。请注意，“光谱”是“光谱”一词的复数形式。

图 1：铁的发射光谱

Nilda，铁的发射光谱，标记为公共领域，有关 Wikimedia Commons 的更多详细信息

上图是铁的发射光谱。发射光谱绘制为一系列线。横轴表示波数 (
u=1/f)，而纵轴表示强度。

发射光谱的产生

如前所述，发射光谱是通过不同能级之间的跃迁产生的。这些可以是振动、旋转或电子跃迁。发射的辐射能量等于两个能级之间的能量差。

例如，您必须学习过当电子从轨道 n₂ 跃迁到 n₁ 时如何找到发射光的波长。

λ=R(1/n₁² - 1/n₂²)

这是一个由轨道间跃迁引起的辐射发射的例子。类似地，我们可以在不同的振动和旋转能级之间进行跃迁，其计算方法由量子力学给出。

我们可以通过施加热量或放电来诱导这些跃迁。

发射光谱的类型

发射光谱可以分为以下三类

线状光谱

线状光谱表现为一系列离散的谱线。线状光谱在原子中观察到，可以通过在气体管中通过放电来分析。线状光谱中获得的图案是正在研究的元素的特征。因此，通过研究线状光谱，我们可以很容易地推断出我们正在研究的元素。

例如，钠的线状光谱在 589.6nm 和 589 nm 处有两条线

连续光谱

连续光谱与线状光谱相反，它包含两个特定值之间连续的频率范围。此光谱中获得的颜色取决于样品的温度。

例如，我们在家中使用的灯泡会发出连续光谱。

带状光谱

带状光谱由几条连续的谱线组成，这些谱线在某些区域间距很小，而在其他区域间距很大。这使得光谱中看起来形成了带状。实际上，在足够高的分辨率下，我们可以看到这些谱线。

这些带在一端清晰，而在另一端逐渐消失。此外，带状光谱是特定分子的特征，因此可用于推断未知分子的身份。

例子

卤素灯的发射光谱

卤素灯发出连续光谱，并在某些波长处有峰值。强度在纵轴上表示，波长在横轴上表示。

图 2：卤素灯的光谱

Varistor60，金属卤化物彩虹，CC BY-SA 4.0

氢的发射光谱

氢分子 (H₂) 发射相对简单的线状光谱，尽管在高分辨率下，即使是这种简单光谱也会变得更加详细。

图 3：氢的光谱

OrangeDog，氢光谱，CC BY-SA 3.0

用途

天文学

天文学家研究遥远天体的发射光谱。这使他们能够列出所讨论的恒星或行星中存在哪些元素。这可能有助于我们找到可以维持生命的行星。

元素的研究

发射光谱包含有关发射它们的元素的电子结构的信息。因此，研究发射光谱可以帮助我们识别样品中的未知元素。

化学分析

某些元素，当涂在铂丝上并置于火焰中时，会发出高度特征性和特定的颜色。此概念用于执行化合物的盐分析。

结论

在物理学中，发射是指气体或辐射的产生和随后的排放。例如，光是由结二极管中的电子-空穴复合发射的。类似地，电子跃迁也会导致发射。

发射光谱指的是某种元素在电子跃迁到对应于旋转、振动或轨道状态的不同能级之间时发射的频率范围。元素发射光谱的研究可用于识别它们或研究它们的性质。

发射光谱可以是线状光谱、连续光谱或带状光谱。线状光谱主要由原子发射，而带状光谱是分子的特征。例如，钠的线状光谱在 589.6 和 589.0 nm 处包含两条非常明显的谱线。

常见问题

Q1. 如果发射光谱计算涉及量子力学，那么当量子力学中的能量是量子化的时，我们如何获得连续光谱？

A1. 实际上，光谱不是连续的。它碰巧间距非常紧密，以至于看起来像连续体。

Q2. 诱导元素跃迁的方法有很多吗？

A2. 是的。施加热量是一种简单的方法。然而，不太干扰的跃迁诱导方法包括施加电场、磁场、基于 X 射线光子的诱导等。

Q3. 发射光谱的研究是一个完全基于量子的课题吗？

A3. 不完全是。在大多数实际情况下，发射光谱的半经典方法就足够了。一种现代方法是使用量子电动力学研究发射光谱。但是，仍然使用半经典方法。

Q4. 所有材料都有发射光谱吗？

答：是的。但是，很多元素的光谱线超出可见光范围。无论哪种情况，所有元素都以某种形式发射辐射，因此必须以某种形式具有发射光谱。

Q5. 发射光谱可以用肉眼看到吗？

答：某些元素的一些颜色可以用肉眼看到。但是，即使我们看到的，也可以通过光谱仪进一步分解成更清晰的线条。例如，钠发出琥珀黄色。但在分光镜下，我们看到两条相距6埃的清晰线条。