Spektral çizgi
Olarak hat spektral veya rezonans hatları, keskin bir çizgiler ayrılmış spektrumu yayılan ( emisyon çizgileri ) veya absorbe ( emme hatları arasında) , elektromanyetik dalgalar içinde, dar anlamda, dalga boyu aralığı içinde görünür ışık ( ışık spektrumu ). Spektral çizgiler, dalga boyu , çizgi yoğunluğu ve çizgi genişliği ile karakterize edilir . Spektral çizgilerin nedeni, bölgedeki ışıkla uyarılan elektronik geçişlerdir .Atomlar veya moleküller .
Spektral çizgi adı, tarihsel olarak, şekli ekrana veya bakanın gözüne yansıyan geleneksel spektrometrelerde bir giriş yarığı olduğu gerçeğine dayanmaktadır. İsim daha sonra yoğunluk eğrisi olarak kaydedilen bir spektrumda zirvelere (yani maksimum) aktarıldı .
Spektral çizgiler, enstrümantal atomik spektroskopide ( nükleer manyetik rezonans spektroskopisi gibi ) veya alev renklendirmesinde meydana gelir . Diğer şeylerin yanı sıra, astronomide yıldızların , gezegenlerin ve yıldızlararası maddenin , aksi takdirde imkansız olan moleküler yapısını analiz etmek için kullanılırlar. 19. yüzyılda keşfedilen bir prizma aracılığıyla güneşten gelen ışığın kırılması içindeydiler ve bundan sonra spektral analiz için geniş bir uygulama alanına izin veren spektroskoplar geliştirildi .
Temel bilgiler
Spektral çizgi, bir enerji seviyesinden diğerine geçiş nedeniyle bir atom veya molekül tarafından yayılan (yayılan) veya emilen (emilen) kesin olarak tanımlanmış bir frekansın ışığıdır . Frekans, yayılan veya soğurulan fotonun enerjisi tarafından belirlenir ; bu, iki kuantum mekaniksel durumun enerjileri arasındaki farka eşittir . Frekans, verilen atom türündeki bu özel geçişin karakteristiğidir. Bu nedenle, spektral çizgileri gözlemleyerek atom türlerini ayırt etmek mümkündür.
Emisyon hattı
Bir emisyon hattı spektrumda ışık çizgi olarak gösterir. Daha düşük bir yüksek geçiş sırasında ortaya çıkan enerji seviyesine bir elektron olduğunda, örneğin, geçer bir gelen uyarılmış duruma göre zemin durum. Burada bir foton yayılır. Bu, kendiliğinden ( kendiliğinden emisyon ) veya gibi olabilir. B. lazerle , uygun bir frekanstaki ışıkla uyarılır ( uyarılmış emisyon ).
Soğurma hattı
Işık sürekli bir spektrumla (yani bir frekans karışımı) ışınlandığında, uygun bir frekanstaki fotonların rezonans absorpsiyonu , düşük bir enerji seviyesinden daha yüksek bir enerji seviyesine geçişin indüklendiği bir absorpsiyon hattı ile sonuçlanır - örneğin, bir elektron geçtiğinde gelen foton ile valans içine olan iletim bant "kaldırılmış" (bakınız fotoelektrik etkiyi ).
Daha düşük enerji düzeyine geri dönüldüğünde , fotonlar izotropik hale gelir , yani. H. herhangi bir yönde yayılır.
Bunların her ikisi de ışığın bu frekansta ışınlanan malzeme tarafından dağınık bir şekilde dağılmasına yol açar . Yeterince soğurucu atom olduğu sürece ortaya çıkar
- kesintisiz ışık spektrumunda parlayan koyu bir çizgi ( Fraunhofer çizgisi ); bu genellikle absorpsiyon çizgisi ile kastedilen şeydir
- gazın yanından çıkan dağınık ışığı analiz ederken koyu bir arka plana karşı açık bir çizgi; Işık hattının bu tip olduğu bir çağrılmaz emisyon nedeniyle tarihsel satır terminoloji ; Çizgiler, yalnızca uyarma aynı frekanstaki ışıkla yapılmadıysa böyle adlandırılır .
Emisyon profilleri
Spektral bir çizginin ışığı, tek ve kesin olarak tanımlanmış bir frekans içermez, ancak (dar) bir frekans aralığını içerir. Yarı genişliği bu alanda adlandırılan çizgi genişliği . Bir emisyon hattının çizgi genişliği birkaç katkıdan oluşur:
- Lorentz profili
- Genişlik doğal hattı sonuçları ömrü ilk durumuna yoluyla Heisenberg belirsizlik prensibi . Bu, Lorentz eğrisinin şekline sahiptir . Bunu azaltmak mümkün değil.
- Gauss profili
- Atomların termal hareketi , hareketin yönüne bağlı olarak ışığı tek bir atom veya molekülden kırmızı veya maviye kaydıran bir Doppler etkisi yaratır . İstatistiksel hareket, genel olarak daha geniş bir frekans dağılımıyla sonuçlanır. Bu etkiye Doppler genişlemesi denir . Bu şekline sahip Gauss eğrisine ve bağlıdır sıcaklığında . Genellikle Doppler genişliği, doğal çizgi genişliğine açıkça hakimdir. Mekanizma, homojen olmayan hat genişletme terimi altında da bilinir .
- Voigt profili
- Bir ölçüm sırasında, sonlu genişliğe sahip bir Lorentz eğrisi , ölçüm düzenlemesinin aparat işlevi söz konusu Lorentz eğrisinin büyüklük sırasına göre bir yarı genişliğe sahipse, bilinen biçiminden değişmiş gibi görünmektedir . Çizgi şekli daha sonra Lorentz eğrisinin evrişimi ve aparat işlevi ile tanımlanabilir. Cihaz işlevi bir Gauss eğrisi ise, evrişimin sonucuna Voigt profili denir .
Tarih
Absorpsiyon hatları ilk olarak 1802'de William Hyde Wollaston tarafından ve 1814'te ondan bağımsız olarak Joseph von Fraunhofer tarafından güneş spektrumunda keşfedildi . Güneş spektrumundaki bu koyu çizgiler aynı zamanda Fraunhofer çizgileri olarak da adlandırılır .
Diğer etkilerin yanı sıra spektral çizgiler, kuantum mekaniğinin gelişimine katkıda bulundu . Klasik elektrodinamiğe göre, bir atoma bağlı bir elektron herhangi bir frekansta elektromanyetik dalgalar yayabilir; ayrık çizgilerin varlığı klasik olarak açıklanamaz. Spektral çizgilerin frekanslarının bu keşif hidrojen atomu olan formun bir ifade ile orantılı tam sayı ile ve kavramına yol kuantum sayısı ve son olarak getirilen Niels Bohr , onun için Bohr modeli , ilk - eski hemen - kuantum mekanik atom modeli. Modern kuantum mekaniği, atomların spektral çizgilerini çok yüksek bir doğrulukla tahmin edebilir.
Edebiyat
- Heinz Haferkorn : Optik. Fiziksel-teknik temeller ve uygulamalar. 4. baskı, Wiley-VCH 2003, ISBN 3-527-40372-8
- Ingolf Volker Hertel , Claus-Peter Schulz: Atomlar, Moleküller ve Optik Fizik 1 . Springer 2008, ISBN 978-3-540-30617-7
- Peter M. Skrabal: Spektroskopi , vdf Verlag, 2009, ISBN 978-3-8252-8355-1