- Quang phổ phát xạ là gì?
- Giải thích phổ phát xạ
- Sự khác nhau giữa quang phổ phát xạ và quang phổ hấp thụ.
- Ví dụ về quang phổ phát xạ của các nguyên tố hóa học
- Người giới thiệu
Các quang phổ phát xạ là quang phổ của các bước sóng của ánh sáng phát ra bởi các nguyên tử và phân tử khi thực hiện một sự chuyển tiếp giữa hai trạng thái năng lượng. Ánh sáng trắng hoặc ánh sáng nhìn thấy chiếu vào lăng kính bị vỡ thành các màu khác nhau với các bước sóng cụ thể cho mỗi màu. Màu sắc thu được là phổ bức xạ nhìn thấy được của ánh sáng gọi là quang phổ phát xạ.
Nguyên tử, phân tử và chất cũng có quang phổ phát xạ do sự phát xạ ánh sáng khi chúng hấp thụ một lượng năng lượng thích hợp từ bên ngoài để chuyển tiếp giữa hai trạng thái năng lượng. Bằng cách truyền ánh sáng này qua một lăng kính, nó bị phá vỡ thành các vạch màu quang phổ với các bước sóng khác nhau đặc trưng cho từng nguyên tố.
Tầm quan trọng của quang phổ phát xạ là nó cho phép xác định thành phần của các chất và vật thể thiên văn chưa biết thông qua việc phân tích các vạch phổ của chúng bằng kỹ thuật quang phổ phát xạ.
Tiếp theo, người ta giải thích phổ phát xạ bao gồm những gì và nó được giải thích như thế nào, một số ví dụ được đề cập và sự khác biệt tồn tại giữa phổ phát xạ và phổ hấp thụ.
Quang phổ phát xạ là gì?
Nguyên tử của một nguyên tố hoặc một chất có các electron và proton được giữ với nhau bằng lực hút điện từ. Theo mô hình Bohr, các electron được sắp xếp sao cho năng lượng của nguyên tử là thấp nhất có thể. Mức năng lượng năng lượng này được gọi là trạng thái cơ bản của nguyên tử.
Khi nguyên tử thu năng lượng từ bên ngoài, các electron chuyển động về mức năng lượng cao hơn và nguyên tử chuyển trạng thái cơ bản sang trạng thái kích thích.
Ở trạng thái kích thích, thời gian cư trú của electron rất ngắn (≈ 10-8 s) (1), nguyên tử không ổn định và trở về trạng thái cơ bản, đi qua các mức năng lượng trung gian nếu cần thiết.
Hình 1. a) Sự phát xạ của một phôtôn do nguyên tử chuyển giữa mức năng lượng kích thích và mức năng lượng cơ bản. b) phát xạ photon do nguyên tử chuyển giữa các mức năng lượng trung gian.
Trong quá trình chuyển từ trạng thái kích thích sang trạng thái cơ bản, nguyên tử phát ra phôtôn ánh sáng có năng lượng bằng hiệu năng lượng giữa hai trạng thái, tỷ lệ thuận với tần số và tỷ lệ nghịch với bước sóng λ.
Phôtôn phát ra được biểu diễn dưới dạng một vạch sáng, được gọi là vạch phổ (2), và sự phân bố năng lượng quang phổ của tập hợp các phôtôn phát ra ở các chuyển tiếp của nguyên tử là phổ phát xạ.
Giải thích phổ phát xạ
Một số quá trình chuyển đổi của nguyên tử là do nhiệt độ tăng lên hoặc do sự hiện diện của các nguồn năng lượng bên ngoài khác như chùm ánh sáng, dòng electron, hoặc phản ứng hóa học.
Nếu một chất khí như hydro được đặt trong một buồng ở áp suất thấp và cho dòng điện chạy qua buồng đó, chất khí sẽ phát ra ánh sáng có màu sắc riêng để phân biệt với các khí khác.
Bằng cách truyền ánh sáng phát ra qua một lăng kính, thay vì thu được cầu vồng ánh sáng, người ta thu được các đơn vị rời rạc dưới dạng các vạch màu có bước sóng cụ thể, mang năng lượng rời rạc.
Các vạch của quang phổ phát xạ là duy nhất trong mỗi nguyên tố và việc sử dụng nó từ kỹ thuật quang phổ cho phép xác định thành phần nguyên tố của một chất chưa biết cũng như thành phần của các vật thể thiên văn, bằng cách phân tích bước sóng của các photon phát ra. trong quá trình chuyển đổi của nguyên tử.
Sự khác nhau giữa quang phổ phát xạ và quang phổ hấp thụ.
Trong quá trình hấp thụ và phát xạ, nguyên tử có sự chuyển đổi giữa hai trạng thái năng lượng nhưng trong quá trình hấp thụ, nó thu năng lượng từ bên ngoài và đạt đến trạng thái kích thích.
Quang phổ vạch phát xạ ngược chiều với quang phổ liên tục của ánh sáng trắng. Trong lần đầu tiên, sự phân bố quang phổ được quan sát dưới dạng các vạch sáng và trong lần thứ hai, một dải màu liên tục được quan sát.
Nếu một chùm ánh sáng trắng chiếu vào một chất khí như hydro, được đặt trong một buồng ở áp suất thấp, thì chỉ một phần ánh sáng sẽ bị chất khí đó hấp thụ và phần còn lại sẽ truyền đi.
Khi ánh sáng truyền qua lăng kính, nó bị phá vỡ thành các vạch quang phổ, mỗi vạch có bước sóng khác nhau, tạo thành quang phổ hấp thụ của chất khí.
Quang phổ hấp thụ hoàn toàn ngược lại với quang phổ phát xạ và nó cũng đặc trưng cho từng nguyên tố. Khi so sánh cả hai quang phổ của cùng một nguyên tố, quan sát thấy rằng các vạch phổ phát xạ là những vạch bị thiếu trong quang phổ hấp thụ (Hình 2).
Hình 2. a) Phổ phát xạ và b) Phổ hấp thụ (Tác giả: Stkl. Nguồn: https://commons.wikimedia.org/wiki/Main_Page)
Ví dụ về quang phổ phát xạ của các nguyên tố hóa học
a) Các vạch quang phổ của nguyên tử hiđrô, trong vùng nhìn thấy của quang phổ là vạch đỏ có bước sóng 656,3 nm, màu lam nhạt 486,1nm, màu xanh lam đậm 434nm và màu tím rất mờ là 410nm. Các bước sóng này thu được từ phương trình Balmer - Rydberg trong phiên bản hiện đại của nó (3).
là số sóng của vạch quang phổ
là hằng số Rydberg (109666,56 cm-1)
là mức năng lượng cao nhất
là mức năng lượng cao nhất
Hình 3. Phổ phát xạ của hydro (Tác giả: Adrignola. Nguồn: commons.wikimedia.org
b) Quang phổ phát xạ của heli có hai dãy vạch chính, một vạch ở vùng nhìn thấy và vạch kia ở gần tử ngoại. Peterson (4) đã sử dụng mô hình Bohr để tính toán một loạt các vạch phát xạ heli trong phần nhìn thấy của quang phổ, là kết quả của một số chuyển đổi đồng thời của hai điện tử sang trạng thái n = 5 và thu được các giá trị của bước sóng phù hợp với kết quả thực nghiệm. Các bước sóng thu được là 468,8nm, 450,1nm, 426,3nm, 418,4nm, 412,2nm, 371,9nm.
c) Quang phổ phát xạ của natri có hai vạch rất sáng là 589nm và 589,6nm được gọi là vạch D. (5). Các vạch khác yếu hơn nhiều so với các vạch này và đối với các mục đích thực tế, tất cả ánh sáng natri được coi là đến từ các vạch D.
Người giới thiệu
- Phép đo thời gian tồn tại của trạng thái kích thích của nguyên tử hydro. VA Ankudinov, SV Bobashev và EP Andreev. 1, 1965, JETP Vật lý Liên Xô, Tập 21, tr. 26-32.
- Demtröder, W. Quang phổ Laser 1. Kaiserslautern: Springer, 2014.
- DKRai, SN Thakur và. Nguyên tử, laze và quang phổ. New Delhi: Phi Learning, 2010.
- Bohr Revisited: Mô hình đường kính ngang của heli. Peterson, C. 5, 2016, Tạp chí các nhà điều tra trẻ, Tập 30, tr. 32-35.
- Tạp chí Giáo dục hóa học. JR Appling, FJ Yonke, RA Edgington và S. Jacobs. 3, 1993, Quyển 70, Tr. 250-251.