Espectro de linha

Espectro alfa dos isótopos de plutônio ²⁴² Pu, ²³⁹ Pu / ²⁴⁰ Pu e ²³⁸ Pu

Um espectro de linha é um espectro físico que mostra pontos separados ( discretos ) de intensidade aumentada, as chamadas linhas espectrais . Sob certas circunstâncias, esses pontos podem aparecer próximos ou sobrepostos a componentes contínuos .

Os espectros de luz podem mostrar linhas de absorção ou emissão . Também a partícula pode ter um espectro de linha; as partículas, então, têm energias cinéticas discretas , como é o caso da radiação alfa .

Espectro de uma lâmpada de vapor de mercúrio de baixa pressão. Imagem superior com sensor de linha de 256 pixels . Tiro inferior com uma câmera

Origem das linhas em espectros de luz e raios-X

Cada material e cada átomo ou molécula têm níveis de energia característicos e discretos nos quais os elétrons podem "permanecer". A transição de um para outro nível de energia ocorre através da absorção (transição do estado inferior para o superior) ou emissão (transição do estado superior para o inferior) de um fóton com a energia

${\ displaystyle E = h \ cdot \ nu}$

(com a frequência da  radiação e quantum de ação de Planck ). A diferença de energia entre os níveis de energia corresponde exatamente à energia do fóton, e a energia de um fóton junto com a velocidade da luz determina seu comprimento de onda ${\ displaystyle \ nu}$ ${\ displaystyle h}$${\ displaystyle c}$

${\ displaystyle \ lambda = {\ frac {c} {\ nu}}}$.

De todos os estados de energia possíveis de um material, apenas alguns pares de estados de energia são geralmente absorvedores ou emissores preferidos.

Se um material está localizado entre uma fonte de radiação com um espectro contínuo e um espectrômetro (por exemplo, para medir o espectro), ele absorve fótons dessas energias que são fornecidas pelos estados de energia do material. Os fótons absorvidos estão faltando no espectro observado da fonte; isso faz com que apareçam linhas de absorção escuras.

Um átomo ou molécula excitada retorna a um estado de energia inferior após um curto período de tempo. É emitido um fóton, cuja energia corresponde à diferença de energia entre o estado de energia superior e inferior. Se você observar este material de lado, ou seja, sem a fonte de radiação ser visível, esses fótons de uma certa energia (e, portanto, comprimento de onda) aparecem como linhas de emissão no espectro.

Obtendo informações de espectros de linha

Os espectros lineares de átomos foram uma importante fonte de informação para a descoberta da mecânica quântica . O espectro particularmente simples do átomo de hidrogênio deu origem ao modelo atômico de Bohr . Investigações mais detalhadas dos espectros de hidrogênio posteriormente deixaram claro que este modelo atômico não descreve adequadamente a realidade e que as teorias de Werner Heisenberg e Wolfgang Pauli fornecem uma descrição mais precisa.

Na astronomia , os espectros lineares são uma fonte de informações sobre o universo. Os espectros de linha são característicos do respectivo átomo ou molécula, de modo que os elementos que ocorrem no espaço podem ser determinados a partir da luz. Desta forma, por exemplo, o hélio foi encontrado pela primeira vez no sol antes de também ser detectado na terra.

Os espectros de linha têm outra aplicação em astronomia: como as energias exatas dos espectros dos elementos são conhecidas e os elementos podem ser identificados usando o padrão das linhas, o desvio para o vermelho de sua luz pode ser determinado a partir do espectro de linhas de uma estrela . Para objetos mais próximos, isso permite que a velocidade do objeto na direção da linha de visão seja determinada usando o efeito Doppler . Este fato é utilizado na busca de exoplanetas como método de velocidade radial. Para objetos que estão mais distantes, o redshift baseado na lei de Hubble dá a distância do objeto da terra.

Os espectros de linha da radiação gama permitem a detecção de pequenas quantidades de um radionuclídeo em muitos casos .

Espectro de linha em acústica e engenharia elétrica

Um espectro de linha acústica contém uma ou mais frequências discretas (DIN 13320). Os processos de som periódicos geram um espectro de linha, o som aperiódico ou estocástico processa um espectro contínuo (espectro de banda). Um exemplo típico de espectro de linha é o espectro de som ou um sinal periódico (voltagem ou corrente).

Com o espectro de linha, cada frequência parcial do sinal é simbolizada por uma linha espectral discreta. A frequência é representada pela posição na abscissa (eixo da frequência); o comprimento de tal linha representa a amplitude da oscilação (espectro de amplitude) ou a força de um processo de som (espectro de nível). A escala de frequência é geralmente dividida logaritmicamente. Cada linha espectral (frequência constante, amplitude constante) representa uma oscilação harmônica ideal (isto é, sinusoidal) (isto é, por exemplo, voltagem). O espectro de fase associado representa a informação de fase (ângulo de fase zero), por exemplo, B. as amplitudes de uma tensão ou corrente. O espectro de amplitude e fase juntos descreve um sinal equivalente à sua representação no domínio do tempo.

literatura

• Dieter Meschede: Gerthsen Physics. 23ª edição, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg New York 2006, ISBN 978-3-540-25421-8 .
• Thomas Görne: Engenharia de som. 1ª edição, Carl Hanser Verlag, Leipzig 2006, ISBN 3-446-40198-9 .