Linha espectral

Como linhas espectrais ou linhas de ressonância , linhas nitidamente separadas em um espectro de ondas eletromagnéticas emitidas ( linhas de emissão ) ou absorvidas ( linhas de absorção ) , no sentido mais restrito dentro da faixa de comprimento de onda da luz visível ( espectro de luz ). As linhas espectrais são caracterizadas pelo comprimento de onda , intensidade da linha e largura da linha . A causa das linhas espectrais são as transições eletrônicas excitadas pela luz emÁtomos ou moléculas .

O nome linha espectral remonta ao fato de que existe uma fenda de entrada nos espectrômetros convencionais , cujo formato é refletido na tela ou no olho de quem vê. O nome também foi posteriormente transferido para os picos (ou seja, máximos) em um espectro registrado como uma curva de intensidade.

Espectro de uma lâmpada de vapor de cádmio de baixa pressão, imagem superior com um sensor de linha de 256 pixels , imagem inferior com uma câmera

As linhas espectrais ocorrem na espectroscopia atômica instrumental (como a espectroscopia de ressonância magnética nuclear ) ou na coloração da chama . Eles são usados, entre outras coisas, em astronomia para analisar a estrutura molecular de estrelas , planetas e matéria interestelar , o que de outra forma seria impossível. Estavam na refração da luz do sol através de um prisma descoberto no século 19, de onde surgiram espectroscópios que permitem um amplo campo de aplicações para a análise espectral .

Fundamentos

Espectro de luz contínua sem linhas espectrais

Uma linha espectral é a luz de uma frequência precisamente definida que é emitida (emitida) ou absorvida (absorvida) por um átomo ou molécula devido a uma transição de um nível de energia para outro. A frequência é determinada pela energia do fóton emitido ou absorvido ; isso é igual à diferença entre as energias dos dois estados da mecânica quântica . A frequência é característica desta transição particular em um determinado tipo de átomo. Portanto, pode-se distinguir os tipos de átomos observando as linhas espectrais.

Linha de emissão

Linhas de emissão

Uma linha de emissão aparece como uma linha de luz no espectro. Ele surge durante a transição de um nível de energia superior para um inferior , por exemplo, quando um elétron passa de um estado excitado para o estado fundamental . Um fóton é emitido aqui. Isso pode acontecer espontaneamente ( emissão espontânea ) ou, por exemplo. B. com laser , são excitados por luz de uma frequência adequada ( emissão estimulada ).

Linha de absorção

Linhas de absorção

Absorção de ressonância de gás H ₂ O em 1519 nm

Quando a luz é irradiada com um espectro contínuo (ou seja, uma mistura de frequência), a absorção de ressonância de fótons de uma frequência adequada resulta em uma linha de absorção na qual uma transição de um nível de energia inferior para um superior é induzida - por exemplo, quando um elétron passa através do fóton da banda de valência para a banda de condução é "levantada" (ver efeito fotoelétrico ).

Ao cair de volta para o nível de energia inferior, os fótons tornam-se isotrópicos , i. H. em qualquer direção, emitida.

Ambos fazem com que a luz seja difusamente espalhada pelo material sendo irradiado nesta frequência . Contanto que haja átomos absorventes suficientes, ocorre

• uma linha escura no espectro contínuo de luz brilhando ( linha Fraunhofer ); isso geralmente é o que significa o termo linha de absorção
• uma linha clara contra um fundo escuro ao analisar a luz espalhada que sai do lado do gás; este tipo de linha de luz não é chamada de linha de emissão devido à terminologia histórica ; As linhas só são referidas como tal se a excitação não for feita à luz da mesma frequência .

Perfis de emissão

A luz de uma linha espectral não contém uma única frequência claramente definida, mas compreende uma faixa de frequência (estreita). A meia largura dessa área é chamada de largura da linha . A largura da linha de uma linha de emissão é composta de várias contribuições:

Perfil Lorentz

A linha natural largura resultados do tempo de vida do estado inicial através do princípio da incerteza de Heisenberg . Isso tem a forma de uma curva de Lorentz . Não é possível reduzir isso.

Perfil gaussiano

O movimento térmico dos átomos cria um efeito Doppler que muda a luz de um átomo ou molécula individual para vermelho ou azul, dependendo da direção do movimento. O movimento estatístico resulta em uma distribuição geral de frequência mais ampla. Esse efeito é chamado de alargamento Doppler . Tem a forma de uma curva gaussiana e depende da temperatura . Normalmente, a largura do Doppler domina claramente a largura da linha natural. O mecanismo também é conhecido como alargamento de linha não homogêneo .

Perfil Voigt

Durante uma medição, uma curva de Lorentz de largura finita parece ter mudado de sua forma conhecida se a função do aparelho do arranjo de medição tem uma meia largura da ordem de magnitude da curva de Lorentz em consideração. A forma da linha pode então ser descrita pela convolução da curva de Lorentz e a função do aparelho. Se a função do aparelho é uma curva gaussiana, o resultado da convolução é chamado de perfil de Voigt .

história

As linhas de absorção foram descobertas pela primeira vez em 1802 por William Hyde Wollaston e em 1814, independentemente dele, por Joseph von Fraunhofer no espectro do sol . Essas linhas escuras no espectro solar também são chamadas de linhas de Fraunhofer .

As linhas espectrais, entre outros efeitos, contribuíram para o desenvolvimento da mecânica quântica . De acordo com a eletrodinâmica clássica , um elétron ligado a um átomo pode emitir ondas eletromagnéticas de qualquer frequência; a existência de linhas discretas não pode ser explicada classicamente. A descoberta de que as frequências das linhas espectrais do átomo de hidrogênio são proporcionais a uma expressão da forma com inteiros e levou ao conceito de número quântico e finalmente trouxe Niels Bohr ao seu modelo de átomo de Bohr , o primeiro - agora obsoleto - modelo atômico quântico. A mecânica quântica moderna pode prever as linhas espectrais dos átomos com um alto grau de precisão. ${\ displaystyle (1 / n ^ {2} -1 / m ^ {2})}$${\ displaystyle m}$${\ displaystyle n}$

literatura

• Heinz Haferkorn : Óptica. Noções básicas físico-técnicas e aplicações. 4ª edição, Wiley-VCH 2003, ISBN 3-527-40372-8
• Ingolf Volker Hertel , Claus-Peter Schulz: Atoms, Molecules and Optical Physics 1 . Springer 2008, ISBN 978-3-540-30617-7
• Peter M. Skrabal: Spectroscopy , vdf Verlag, 2009, ISBN 978-3-8252-8355-1

Links da web

• Linhas espectrais fotografadas por alunos