發射光譜

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簡介

原子和分子物理學涉及對原子、分子及其性質的研究。多年來，我們獲得了越來越先進的技術。這些技術有助於我們表徵原子和分子。雖然研究化學性質的責任在於化學家，但物理學家研究原子和分子的量子力學，並試圖描述它們的能級、自旋軌道耦合以及其他各種性質。

在本教程中，我們將學習一種研究元素的優美方法，該方法涉及關注它們的發射光譜。發射光譜中可見的波長可以透過公式等同起來，從而得出我們尋求的值。

什麼是發射？

發射簡單來說就是排放。也就是說，物體內部的某些物質被排出或發射出來。在物理學家的世界裡，發射通常指的是氣體或輻射的產生和隨後的排出。

例如，使用化石燃料執行的車輛會排放對大氣有害的氣體。另一方面，當電子和空穴在 pn 結二極體中複合時，它們會發射輻射。類似地，當電子從一個能級躍遷到另一個能級時，它們也會發射輻射。

在表徵元素方面，輻射的發射是我們更關心的問題。不同能級上的電子可以躍遷到較低的能級併發射輻射。這些能級可能指的是軌道、振動能級，甚至旋轉能級。只要能量發生變化，就會有輻射發射。

什麼是發射光譜？

您可能知道，光譜是一系列連續的值。例如，彩虹是顏色的光譜。熱水器內部的水溫可以稱為光譜，因為它從室溫到您設定的加熱器溫度不等。

因此，發射光譜指的是某種化學化合物發射的電磁輻射可能具有的頻率範圍。每種化學元素都有不同的發射光譜，這是獨一無二的。例如，H₂O₂ 和 H₂O 的光譜將完全不同。請注意，“光譜”是“光譜”一詞的複數形式。

圖 1：鐵的發射光譜

Nilda，鐵的發射光譜，標記為公共領域，有關 Wikimedia Commons 的更多詳細資訊

上圖是鐵的發射光譜。發射光譜繪製為一系列線。橫軸表示波數 (
u=1/f)，而縱軸表示強度。

發射光譜的產生

如前所述，發射光譜是透過不同能級之間的躍遷產生的。這些可以是振動、旋轉或電子躍遷。發射的輻射能量等於兩個能級之間的能量差。

例如，您必須學習過當電子從軌道 n₂ 躍遷到 n₁ 時如何找到發射光的波長。

λ=R(1/n₁² - 1/n₂²)

這是一個由軌道間躍遷引起的輻射發射的例子。類似地，我們可以在不同的振動和旋轉能級之間進行躍遷，其計算方法由量子力學給出。

我們可以透過施加熱量或放電來誘導這些躍遷。

發射光譜的型別

發射光譜可以分為以下三類

線狀光譜

線狀光譜表現為一系列離散的譜線。線狀光譜在原子中觀察到，可以透過在氣體管中透過放電來分析。線狀光譜中獲得的圖案是正在研究的元素的特徵。因此，透過研究線狀光譜，我們可以很容易地推斷出我們正在研究的元素。

例如，鈉的線狀光譜在 589.6nm 和 589 nm 處有兩條線

連續光譜

連續光譜與線狀光譜相反，它包含兩個特定值之間連續的頻率範圍。此光譜中獲得的顏色取決於樣品的溫度。

例如，我們在家中使用的燈泡會發出連續光譜。

帶狀光譜

帶狀光譜由幾條連續的譜線組成，這些譜線在某些區域間距很小，而在其他區域間距很大。這使得光譜中看起來形成了帶狀。實際上，在足夠高的解析度下，我們可以看到這些譜線。

這些帶在一端清晰，而在另一端逐漸消失。此外，帶狀光譜是特定分子的特徵，因此可用於推斷未知分子的身份。

例子

鹵素燈的發射光譜

鹵素燈發出連續光譜，並在某些波長處有峰值。強度在縱軸上表示，波長在橫軸上表示。

圖 2：鹵素燈的光譜

Varistor60，金屬鹵化物彩虹，CC BY-SA 4.0

氫的發射光譜

氫分子 (H₂) 發射相對簡單的線狀光譜，儘管在高解析度下，即使是這種簡單光譜也會變得更加詳細。

圖 3：氫的光譜

OrangeDog，氫光譜，CC BY-SA 3.0

用途

天文學

天文學家研究遙遠天體的發射光譜。這使他們能夠列出所討論的恆星或行星中存在哪些元素。這可能有助於我們找到可以維持生命的行星。

元素的研究

發射光譜包含有關發射它們的元素的電子結構的資訊。因此，研究發射光譜可以幫助我們識別樣品中的未知元素。

化學分析

某些元素，當塗在鉑絲上並置於火焰中時，會發出高度特徵性和特定的顏色。此概念用於執行化合物的鹽分析。

結論

在物理學中，發射是指氣體或輻射的產生和隨後的排放。例如，光是由結二極體中的電子-空穴複合發射的。類似地，電子躍遷也會導致發射。

發射光譜指的是某種元素在電子躍遷到對應於旋轉、振動或軌道狀態的不同能級之間時發射的頻率範圍。元素髮射光譜的研究可用於識別它們或研究它們的性質。

發射光譜可以是線狀光譜、連續光譜或帶狀光譜。線狀光譜主要由原子發射，而帶狀光譜是分子的特徵。例如，鈉的線狀光譜在 589.6 和 589.0 nm 處包含兩條非常明顯的譜線。

常見問題

Q1. 如果發射光譜計算涉及量子力學，那麼當量子力學中的能量是量子化的時，我們如何獲得連續光譜？

A1. 實際上，光譜不是連續的。它碰巧間距非常緊密，以至於看起來像連續體。

Q2. 誘導元素躍遷的方法有很多嗎？

A2. 是的。施加熱量是一種簡單的方法。然而，不太乾擾的躍遷誘導方法包括施加電場、磁場、基於 X 射線光子的誘導等。

Q3. 發射光譜的研究是一個完全基於量子的課題嗎？

A3. 不完全是。在大多數實際情況下，發射光譜的半經典方法就足夠了。一種現代方法是使用量子電動力學研究發射光譜。但是，仍然使用半經典方法。

Q4. 所有材料都有發射光譜嗎？

答：是的。但是，很多元素的光譜線超出可見光範圍。無論哪種情況，所有元素都以某種形式發射輻射，因此必須以某種形式具有發射光譜。

Q5. 發射光譜可以用肉眼看到嗎？

答：某些元素的一些顏色可以用肉眼看到。但是，即使我們看到的，也可以透過光譜儀進一步分解成更清晰的線條。例如，鈉發出琥珀黃色。但在分光鏡下，我們看到兩條相距6埃的清晰線條。