Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

6.4: Спектри випромінювання та поглинання

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    27215

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    В останньому розділі ми розглядали джерело емісії і поглинання. У цьому розділі ми розглянемо типи спектрів випромінювання та поглинання, які ми складемо основу для багатьох наступних розділів.

    Спектри випромінювання

    Коли атом, іон або молекула рухається з стану вищої енергії в стан з нижчою енергією, він випромінює фотони з енергіями, рівними різниці енергії між двома станами. В результаті виходить спектр випромінювання, який показує інтенсивність випромінювання в залежності від довжини хвилі. Форми цих спектрів випромінювання поділяються на два широкі типи: лінійні спектри та смугові спектри.

    Лінійні спектри

    Коли енергетичні стани добре відокремлені один від одного, і коли між енергетичними станами є лише один тип переходу, в результаті виходить лінійний спектр, який складається з невеликої кількості вузьких смуг. На малюнку\(\PageIndex{1}\), наприклад, показаний спектр випромінювання атомів газової фази Cu, який складається з семи ліній, дві з яких розташовані занадто близько один до одного, щоб розв'язати їх один від одного. Окремі лінії викидів дуже вузькі, як ми могли очікувати, оскільки рівні енергії атома мають точні значення.

    Спектр випромінювання від лампи з порожнистим катодом Cu.
    Малюнок\(\PageIndex{1}\). Спектр випромінювання від лампи з порожнистим катодом Cu, в якій атоми Cu присутні в газовій фазі. Цей спектр складається з семи різних емісійних ліній (перші дві відрізняються лише на 0,4 нм і не вирішуються в масштабі, показаному в цьому спектрі). Кожна емісійна лінія має ширину приблизно 0,01 нм при 1⁄2 її максимальної інтенсивності. Див. Розділ 9 для отримання додаткової інформації про лампи з порожнистим катодом.

    Смугові спектри

    Спектр випромінювання атома газової фази відносно простий, оскільки кількість можливих переходів невелика і тому, що енергії їх індивідів добре відокремлені один від одного. Коли молекула в розчиннику випромінює світло, кількість можливих змін енергетичних рівнів може бути досить великою, якщо молекула зазнає переходів між електронним, коливальним та обертальним рівнями енергії. Отриманий спектр має так багато емісійних окремих ліній випромінювання, що ми бачимо один широкий пік, або смугу, що ми називаємо діапазонним спектром. \(\PageIndex{2}\)На малюнку показаний спектр випромінювання барвника кумарину 343, який включений в зворотну міцелу і підвішений в циклогексанолі.

    Спектр випромінювання барвника кумарин 343.
    Малюнок\(\PageIndex{2}\). Спектр випромінювання барвника кумарин 343, який включений в зворотну міцелу, підвішену в циклогексанолі. Різкий пік в 409 нм - від лазерного джерела, використовуваного для збудження кумарину 343. Широка смуга, зосереджена приблизно на 500 нм, є смугою випромінювання барвника. Джерело: дані Бріджит Гурлі, факультет хімії та біохімії, Університет ДеПо.
    Примітка

    Розглядаючи джерела електромагнітного випромінювання для спектроскопічних приладів, ми зазвичай описуємо їх як лінійні джерела і безперервні джерела в залежності від того, випромінюють вони дискретні лінії, як це відбувається для лампи з порожнистим катодом на малюнку\(\PageIndex{1}\), або виявляють випромінювання в широкому діапазоні довжини хвиль без будь-яких зазорів, як і у випадку з зеленим світлодіодом (LED), спектр якого показаний на малюнку\(\PageIndex{3}\).

    Спектр, що показує випромінювання від зеленого світлодіода.
    Малюнок\(\PageIndex{3}\). Спектр, що показує випромінювання від зеленого світлодіода, який забезпечує безперервне випромінювання в діапазоні довжин хвиль приблизно 530—640 нм.

    Спектри поглинання

    Коли атом, іон або молекула рухається від стану нижчої енергії до стану з вищою енергією, вона поглинає фотони з енергіями, рівними різниці енергії між двома станами. Результатом є спектр поглинання, який показує інтенсивність випромінювання в залежності від довжини хвилі. Як і у випадку з спектрами випромінювання, спектри поглинання варіюються від вузьких ліній до широких смуг. Спектр атомного поглинання для Na показаний на малюнку\(\PageIndex{4}\), і характерний для більшості атомів. Найбільш очевидною особливістю цього спектра є те, що він складається з невеликої кількості дискретних ліній поглинання, які відповідають переходам між наземним станом (атомна орбіталь 3 с) і атомними орбіталями 3 р і 4 р.

    Спектр атомного поглинання натрію.
    Малюнок\(\PageIndex{4}\). Спектр атомного поглинання натрію. Зауважте, що масштаб на осі x включає розрив.

    Ще однією особливістю спектра атомного поглинання на малюнку\(\PageIndex{4}\) є вузька ширина ліній поглинання, що є наслідком фіксованої різниці енергії між наземним станом і збудженим станом, а також відсутності коливального і обертального рівнів енергії. Природні ширини ліній для атомного поглинання, які регулюються принципом невизначеності, становлять приблизно 10 —5 нм. Інші внески в розширення збільшують цю ширину лінії приблизно до 10 —3 нм.

    Спектри поглинання молекул складаються з широких смуг з тих же причин, розглянутих вище для спектрів випромінювання. Спектр UV/Vis для журавлинного соку на малюнку\(\PageIndex{5}\) показує одну широку смугу для антоціанових барвників, які відповідають за його червоний колір. ІЧ-спектр для етанолу на малюнку\(\PageIndex{6}\) показує кілька смуг поглинання, деякі ширші та деякі більш вузькі. Однак вузькі смуги все ще набагато ширші, ніж лінії в спектрі атомного поглинання для Na.

    Видимий спектр поглинання журавлинного соку.
    Малюнок\(\PageIndex{5}\). Видимий спектр поглинання журавлинного соку. Антоціанові барвники в журавлинному соку поглинають видиме світло з блакитними, зеленими та жовтими довжинами хвиль; в результаті сік виглядає червоним.
    Інфрачервоний спектр етанолу.
    Малюнок\(\PageIndex{6}\). Інфрачервоний спектр етанолу.