Спектрална линија

Од Википедија — слободната енциклопедија
Прејди на прегледникот Прејди на пребарувањето
Continuous spectrum
Непрекинат спектар
Absorption lines
Впивачки линии (прекинат спектар)
Апсорпциски линии за воздух, под индиректно осветлување, со директен извор на светлина не се видливи, така што гасот не е директen помеѓу изворот и детекторот. Ова е спектарот на синото небо, нешто блиску до хоризонтот, покажувајќи на исток околу 3 или 4 часот (т.е. сонце кон запад) на јасен ден.

Спектралната линија е темна или светла линија во континуиран спектар, што произлегува од емисија или апсорпција на светлина во тесен фреквенциски опсег, во споредба со блиските фреквенции. Спектралните линии често се користат за идентификација на атоми и молекули. Овие „отпечатоци“ може да се споредат со претходно собраните „отпечатоци од прсти“ на атоми и молекули,[1] и на тој начин се користат за да се идентификуваат атомските и молекуларните компоненти на ѕвездите и планетите, што инаку би било невозможно.

Видови на спектар на линии[уреди | уреди извор]

Континуиран спектар на жарулка (во средина) и дискретни спектрални линии на флуоросцентна светилка (долу)

Спектралните линии се резултат на интеракција помеѓу квантниот систем (обично атоми, но понекогаш молекули или атомски јадра) и еден фотон. Кога фотонот има доволно енергија за да овозможи промена во енергетската состојба на системот (во случај на атом, ова обично се електрони што се менуваат со орбитали), фотонот се апсорбира. Тогаш тоа ќе биде спонтано повторно емитувано, или во иста фреквенција како и оригиналот или во каскада, каде што збирот на енергијата на испуштените фотони ќе биде еднаков на енергијата на оној што се апсорбира (претпоставувајќи дека системот се враќа во првобитната состојба).

Спектрална линија може да се разгледува или како емисиона линија или линија на апсорпција. Кој вид на линија се набљудува зависи од видот на материјалот и неговата температура во однос на друг извор на емисија. Линија на апсорпција се произведува кога фотоните од топол извор на широк спектар минуваат низ ладен материјал. Интензитетот на светлината, во тесен фреквенциски опсег, се намалува поради апсорпцијата од материјалот и повторната емисија во случаен правец. Спротивно на тоа, светла емисиона линија се произведува кога фотоните од топол материјал се откриваат во присуство на широк спектар од ладен извор. Интензитетот на светлината, преку тесен фреквенциски опсег, се зголемува поради емисијата од материјалот.

Спектралните линии се високо атомски специфични и може да се користат за да се идентификува хемискиот состав на било кој медиум способен да му дозволи на светлината да помине низ неа. Неколку елементи биле откриени со спектроскопски средства, вклучително и хелиум, талиум и цезиум. Спектралните линии исто така зависат од физичките услови на гасот, па затоа се користат за одредување на хемискиот состав на ѕвездите и другите небесни тела кои не можат да се анализираат со други средства, како и нивните физички услови.

Механизмите, освен атомот-фотон интеракција може да произведе спектрални линии. Во зависност од точната физичка интеракција (со молекули, единечни честички и сл.), Фреквенцијата на вклучените фотони ќе се разликува многу, а линии може да се набљудуваат низ електромагнетниот спектар, од радиобранови до гама зраци.

Номенклатура[уреди | уреди извор]

Силните спектрални линии во видливиот дел од спектарот често имаат уникатна ознака на линијата Фрауенхофер, како што е K за линија на 393.366 nm кои произлегуваат од самите јонизирани Ca +, иако некои од „линиите“ Фрауенхофер се мешавини од повеќе линии од неколку различни видови. Во други случаи, линиите се означуваат според нивото на јонизација со додавање римски број на означувањето на хемискиот елемент, така што Ca +, исто така, има ознака Ca II. Неутралните атоми се означуваат со римскиот број I, јонизираните атоми со II и така натаму, така што на пример Fe IX (IX, римски 9) претставува осум пати јонизирано железо. Подеталните ознаки обично вклучуваат линија бранова должина и може да вклучуваат повеќекратен број (за атомски линии) или означување на бендот (за молекуларни линии). Многу спектрални линии на атомски водород, исто така, имаат ознаки во нивните соодветни серии, како што се серијата Лајман или серијата Балмер.

Првично сите спектрални линии биле класифицирани во серијата на Принципи, Шарп серијата и Дифузните серии. Овие серии постојат низ атоми на сите елементи и комбинациониот принцип на Ридберг-Риц е формула која предвидува да се најде шема на линии во сите атоми на елементите.

Линија на ширење и поместување[уреди | уреди извор]

Спектралната линија се протега низ низа фреквенции, не само низ една фреквенција (односно, има ненулова линеарна ширина). Покрај тоа, неговиот центар може да се префрли од својата номинална централна бранова должина. Постојат неколку причини за ова проширување и промена. Овие причини може да се поделат во две општи категории - проширување поради локалните услови и проширување поради проширени услови. Проширувањето поради локалните услови се должи на ефектите кои се одржуваат во мал регион околу елементот кој емитува, обично доволно мал за да обезбеди локална термодинамичка рамнотежа. Проширувањето поради проширените услови може да произлезе од промените во спектралната распределба на зрачењето, како што поминува низ нејзиниот пат кон набљудувачот. Исто така може да резултира од комбинирање на зрачење од голем број региони кои се далеку од едни на други.

Проширување поради локални ефекти[уреди | уреди извор]

Природно проширување[уреди | уреди извор]

Принципот на несигурност го поврзува животниот век на возбудена состојба (поради спонтано радијациско распаѓање или процеси на Аугер) со неизвесноста на неговата енергија. Краткиот животен век ќе има голема енергетска неизвесност и широка емисија. Овој проширен ефект резултира со непроменет Лоренцов профил. Природното проширување може да биде експериментално изменето само до степен до кој стапките на распаѓање можат да бидат вештачки потиснати или зголемени.[2]

Термичко Доплерово проширување[уреди | уреди извор]

Атомите во гасот што емитуваат зрачење ќе имаат дистрибуција на брзини. Секој емитуван фотон ќе биде „црвен“ - или „син“ - префрлен со ефектот на Доплер во зависност од брзината на атомот во однос на набљудувачот. Колку е повисока температурата на гасот, толку е поширока дистрибуцијата на брзините во гасот. Бидејќи спектралната линија е комбинација на сите емитирани зрачења, колку е поголема температурата на гасот, толку е поширока спектралната линија која се испушта од тој гас. Овој проширен ефект е опишан со Гаусов профил и не постои поврзана промена.

Проширување заради притисокот[уреди | уреди извор]

Присуството на блиски честички ќе влијае на зрачењето кое го емитираат одделни честички. Постојат два ограничувачки случаи со кои се случува ова:

  • Проширување заради притисокот или судирно проширување: Судирот на други честички со емитувачката честица го прекинува процесот на емисија и со скратување на карактеристичното време за процесот, ја зголемува неизвесноста во емитуваната енергија (како што се случува во природно проширување).[3][4] Времетраењето на судирот е многу пократко од животниот век на процесот на емисија. Овој ефект зависи и од густината и од температурата на гасот. Ефектот на проширување е опишан со Лоренцовиот профил и може да има поврзана смена.
  • Квазистично проширување заради притисокот: Присуството на други честички ги поместува нивоата на енергија во емитувачката честичка, со што се менува фреквенцијата на емитираното зрачење. Времетраењето на влијанието е многу подолго од животниот век на процесот на емисија. Овој ефект зависи од густината на гасот, но е прилично нечувствителен на температурата. Формата на линискиот профил е определена од функционалната форма на вознемирувачката сила во однос на растојанието од вознемирувачката честичка. Исто така, може да има поместување во линијата центар. Генералниот израз за линијата на линиите што произлегува од квазистичното проширување на притисокот е 4-параметарска генерализација на Гаусовата дистрибуција позната како стабилна дистрибуција.[5]

Проширувањето на притисок може да се класифицира и според природата на силата на вознемирување, на следниов начин:

  • Линеарното проширување на Старк се случува преку линеарниот ефект на Старк, кој произлегува од интеракцијата на емитер со електричното поле на наелектризирана честичка на растојание , предизвикувајќи промена во енергијата што е линеарна во јачината на полето.
  • Резонантното проширување се јавува кога вознемирувачката честичка е од ист тип како емитувачката честичка, што ја воведува можноста за процес на размена на енергија.
  • Квадратното проширување на Старк се случува преку квадратниот Старк ефектот, кој произлегува од интеракцијата на емитер со електрично поле, предизвикувајќи промена во енергијата што е квадратна во јачината на полето.
  • Ван дер Валсово проширување настанува кога оддавачка честичка е придвижувана од Ван дер Валсови сили. За квазистатичките случаи, Ван дер Валсовиот профил[note 1] е честопати користен за опишување на профилот. Енергетската промена е функција од растојанието и е определена од на пример Ленард-Џонсовиот потенцијал.

Проширување поради нелокални ефекти[уреди | уреди извор]

Одредени видови проширувања се резултат на услови во голем простор на простор, а не само на услови кои се локални за емитувачката честичка.

Проширување на непроѕирноста[уреди | уреди извор]

Електромагнетното зрачење што емитираат во одредена точка во просторот може да се реапсорбира додека патува низ вселената. Оваа апсорпција зависи од брановата должина. Линијата е проширена затоа што фотоните во центарот на линијата имаат поголема веројатност за реапсорпција од фотоните на крилните линии. Навистина, реапсорпцијата близу до центарот на центарот може да биде толку голема што може да предизвика самопреврат во која интензитетот во центарот на линијата е помал отколку во крилјата. Овој процес понекогаш се нарекува самоапсорпција.

Макроскопско доплерско ширење[уреди | уреди извор]

Доколку различни делови од емитувачкото тело имаат различни брзини (по должината на видното поле), добиената линија ќе се прошири, со ширина на линија пропорционална со ширината на распределбата на брзината. На пример, радијацијата емитирана од далечното ротирачко тело, како што е ѕвездата, ќе се прошири поради варијациите на брзината на видното поле на спротивните страни на ѕвездата. Колку е поголема стапката на ротација, толку е поширока линијата.

Радијациско проширување[уреди | уреди извор]

Радијациско проширување на профилот на спектрална апсорпција се јавува поради тоа што апсорпцијата на резонанца во центарот на профилот е заситена со многу пониски интензитети отколку нерезонантните крила. Затоа, како што се зголемува интензитетот, апсорпцијата на крилјата се зголемува побрзо од апсорпцијата во центарот, што доведува до проширување на профилот. Радијационото проширување се јавува дури и при многу ниски интензитети на светлината.

Комбинирани ефекти[уреди | уреди извор]

Секој од овие механизми може да дејствува изолирано или во комбинација со други. Претпоставувајќи дека секој ефект е независен, посматраниот профил на линија е конволуција на профилите на линии на секој механизам. На пример, комбинацијата на термичко Доплерово проширување и проширување заради притисокот дава Фогтов профил.

Сепак, различните механизми за проширување на линијата не се секогаш независни. На пример, колизиските ефекти и движечките Доплерови поместувања можат да дејствуваат на кохерентен начин, што резултира во некои услови дури и во колизиско стеснување, познато како ефект на Дике.

Спектрални линии на хемиски елементи[уреди | уреди извор]

Видлива светлина[уреди | уреди извор]

За секој елемент, следната табела ги прикажува спектралните линии кои се појавуваат во видливиот спектар, од околу 400 nm - 700 nm.

Спектрални линии на хемиските елементи
Елемент Z Симбол Спектрални линии
водород 1 H Hydrogen spectrum visible.png
хелиум 2 He Helium spectrum visible.png
литиум 3 Li Lithium spectrum visible.png
берилиум 4 Be Beryllium spectrum visible.png
бор 5 B Boron spectrum visible.png
јаглерод 6 C Carbon spectrum visible.png
азот 7 N Nitrogen spectrum visible.png
кислород 8 O Oxygen spectrum visible.png
флуор 9 F Fluorine spectrum visible.png
neon 10 Ne Neon spectrum visible.png
натриум 11 Na Sodium spectrum visible.png
магнезиум 12 Mg Magnesium spectrum visible.png
алуминиум 13 Al Aluminium spectrum visible.png
силициум 14 Si Silicon spectrum visible.png
фосфор 15 P Phosphorus spectrum visible.png
сулфур 16 S Sulfur spectrum visible.png
хлор 17 Cl Chlorine spectrum visible.png
аргон 18 Ar Argon spectrum visible.png
калиум 19 K Potassium spectrum visible.png
калциум 20 Ca Calcium spectrum visible.png
скандиум 21 Sc Scandium spectrum visible.png
титаниум 22 Ti Titanium spectrum visible.png
ванадиум 23 V Vanadium spectrum visible.png
хром 24 Cr Chromium spectrum visible.png
манган 25 Mn Manganese spectrum visible.png
железо 26 Fe Iron spectrum visible.png
кобалт 27 Co Cobalt spectrum visible.png
никел 28 Ni Nickel spectrum visible.png
бакар 29 Cu Copper spectrum visible.png
цинк 30 Zn Zinc spectrum visible.png
галиум 31 Ga Gallium spectrum visible.png
германиум 32 Ge Germanium spectrum visible.png
арсен 33 As Arsenic spectrum visible.png
селен 34 Se Selenium spectrum visible.png
бром 35 Br Bromine spectrum visible.png
криптон 36 Kr Krypton spectrum visible.png
рубидиум 37 Rb Rubidium spectrum visible.png
стронциум 38 Sr Strontium spectrum visible.png
итриум 39 Y Yttrium spectrum visible.png
циркониум 40 Zr Zirconium spectrum visible.png
ниобиум 41 Nb Niobium spectrum visible.png
молибден 42 Mo Molybdenum spectrum visible.png
технициум 43 Tc Technetium spectrum visible.png
рутениум 44 Ru Ruthenium spectrum visible.png
родиум 45 Rh Rhodium spectrum visible.png
паладиум 46 Pd Palladium spectrum visible.png
сребро 47 Ag Silver spectrum visible.png
кадмиум 48 Cd Cadmium spectrum visible.png
индиум 49 In Indium spectrum visible.png
калај 50 Sn Tin spectrum visible.png
антимон 51 Sb Antimony spectrum visible.png
телур 52 Te Tellurium spectrum visible.png
јод 53 I Iodine spectrum visible.png
ксенон 54 Xe Xenon spectrum visible.png
цезиум 55 Cs Caesium spectrum visible.png
бариум 56 Ba Barium spectrum visible.png
лантан 57 La Lanthanum spectrum visible.png
цериум 58 Ce Cerium spectrum visible.png
празеодимиум 59 Pr Praseodymium spectrum visible.png
неодимиум 60 Nd Neodymium spectrum visible.png
прометиум 61 Pm Promethium spectrum visible.png
самариум 62 Sm Samarium spectrum visible.png
европиум 63 Eu Europium spectrum visible.png
гадолиниум 64 Gd Gadolinium spectrum visible.png
тербиум 65 Tb Terbium spectrum visible.png
диспрозиум 66 Dy Dysprosium spectrum visible.png
холмиум 67 Ho Holmium spectrum visible.png
ербиум 68 Er Erbium spectrum visible.png
тулиум 69 Tm Thulium spectrum visible.png
итербиум 70 Yb Ytterbium spectrum visible.png
лутециум 71 Lu Lutetium spectrum visible.png
хафниум 72 Hf Hafnium spectrum visible.png
тантал 73 Ta Tantalum spectrum visible.png
волфрам 74 W Tungsten spectrum visible.png
рениум 75 Re Rhenium spectrum visible.png
осмиум 76 Os Osmium spectrum visible.png
иридиум 77 Ir Iridium spectrum visible.png
платина 78 Pt Platinum spectrum visible.png
злато 79 Au Gold spectrum visible.png
жива 80 Hg Mercury spectrum visible.png
талиум 81 Tl Thallium spectrum visible.png
олово 82 Pb Lead spectrum visible.png
бизмут 83 Bi Bismuth spectrum visible.png
полониум 84 Po Polonium spectrum visible.png
radon 86 Rn Radon spectrum visible.png
радиум 88 Ra Radium spectrum visible.png
актиниум 89 Ac Actinium spectrum visible.png
ториум 90 Th Thorium spectrum visible.png
протактиниум 91 Pa Protactinium spectrum visible.png
ураниум 92 U Uranium spectrum visible.png
нептуниум 93 Np Neptunium spectrum visible.png
плутониум 94 Pu Plutonium spectrum visible.png
амерциум 95 Am Americium spectrum visible.png
кириум 96 Cm Curium spectrum visible.png
берклиум 97 Bk Berkelium spectrum visible.png
калифорниум 98 Cf Californium spectrum visible.png
ајнштајниум 99 Es Einsteinium spectrum visible.png

Други бранови должини[уреди | уреди извор]

Без квалификација, „спектрални линии“ обично подразбираат дека се зборува за линии со бранови должини кои спаѓаат во опсегот на видливиот спектар. Сепак, постојат и многу спектрални линии кои се појавуваат на бранови должини надвор од овој опсег. На многу пократки бранови должини на Х-зраци, тие се познати како карактеристични Х-зраци. Другите фреквенции исто така имаат и атомски спектрални линии, како што е серијата Лајман, која паѓа во ултравиолетовиот опсег.

Поврзано[уреди | уреди извор]

Белешки[уреди | уреди извор]

  1. "van der Waals profile" appears as lowercase in almost all sources, such as: Statistical mechanics of the liquid surface by Clive Anthony Croxton, 1980, A Wiley-Interscience publication, , ; and in Journal of technical physics, Volume 36, by Instytut Podstawowych Problemów Techniki (Polska Akademia Nauk), publisher: Państwowe Wydawn. Naukowe., 1995,

Наводи[уреди | уреди извор]

  1. Rothman, L.S.; Gordon, I.E.; Babikov, Y.; Barbe, A.; Chris Benner, D.; Bernath, P.F.; Birk, M.; Bizzocchi, L.; и др.. The HITRAN2012 molecular spectroscopic database. „Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer“ том  130: 4–50. doi:10.1016/j.jqsrt.2013.07.002. ISSN 0022-4073. Bibcode2013JQSRT.130....4R. 
  2. For example, in the following article, decay was suppressed via a microwave cavity, thus reducing the natural broadening: Gabrielse, Gerald; H. Dehmelt. Observation of Inhibited Spontaneous Emission. „Physical Review Letters“ том  55 (1): 67–70. doi:10.1103/PhysRevLett.55.67. PMID 10031682. Bibcode1985PhRvL..55...67G. 
  3. „Collisional Broadening“. Fas.harvard.edu. конс. 2015-09-24. 
  4. „Collisional Broadening“. Fas.harvard.edu. конс. 2015-05-02. 
  5. Peach, G.. Theory of the pressure broadening and shift of spectral lines. „Advances in Physics“ том  30 (3): 367–474. doi:10.1080/00018738100101467. Bibcode1981AdPhy..30..367P. http://journalsonline.tandf.co.uk/openurl.asp?genre=article&eissn=1460-6976&volume=30&issue=3&spage=367. 

Дополнителна литература[уреди | уреди извор]