Spektral çizgi - Spectral line

sürekli spektrum
sürekli spektrum
Absorpsiyon hatları
Absorpsiyon hatları (ayrık spektrum)
Gazın doğrudan kaynak ve dedektör arasında olmaması için, doğrudan ışık kaynağı görünmeyen, dolaylı aydınlatma altında hava için absorpsiyon hatları. Burada, güneş ışığındaki Fraunhofer çizgileri ve bu güneş ışığının Rayleigh saçılması "kaynak"tır. Bu, ufka biraz yakın olan, açık bir günde öğleden sonra 3 veya 4 civarında doğuyu (yani Güneş batıya doğru) gösteren mavi bir gökyüzünün spektrumudur.

Bir spektral çizgi bir başka homojen ve bir koyu veya açık hattı sürekli spektrum elde edilen, emisyon veya absorpsiyon bölgesinin ışık yakın frekanslarda ile karşılaştırıldığında, dar bir frekans aralığındadır. Spektral çizgiler genellikle atomları ve molekülleri tanımlamak için kullanılır . Bu "parmak izleri", atomların ve moleküllerin önceden toplanmış "parmak izleri" ile karşılaştırılabilir ve bu nedenle , aksi takdirde imkansız olan , yıldızların ve gezegenlerin atomik ve moleküler bileşenlerini tanımlamak için kullanılır .

Çizgi spektrum türleri

Bir akkor lambanın (orta) sürekli spektrumu ve bir flüoresan lambanın ayrık spektrum çizgileri (altta)

Spektral çizgiler, bir kuantum sistemi (genellikle atomlar , ancak bazen moleküller veya atom çekirdeği ) ile tek bir foton arasındaki etkileşimin sonucudur . Bir foton, sistemin enerji durumunda bir değişikliğe izin vermek için (frekansına bağlı) doğru miktarda enerjiye sahip olduğunda (bir atom durumunda bu genellikle elektron değiştiren bir yörüngedir ), foton emilir. Daha sonra, ya orijinal ile aynı frekansta ya da yayılan fotonların enerjilerinin toplamının emilenin enerjisine eşit olacağı bir kademeli olarak kendiliğinden yeniden yayınlanacaktır (sistemin orijinaline geri döndüğü varsayılarak) durum).

Bir spektral çizgi, bir emisyon çizgisi veya bir absorpsiyon çizgisi olarak gözlemlenebilir . Hangi tip hattın gözlemlendiği, malzemenin tipine ve başka bir emisyon kaynağına göre sıcaklığına bağlıdır. Sıcak, geniş spektrumlu bir kaynaktan gelen fotonlar soğuk bir malzemeden geçtiğinde bir absorpsiyon çizgisi üretilir. Dar bir frekans aralığında ışığın yoğunluğu, malzeme tarafından absorpsiyon ve rastgele yönlerde yeniden emisyon nedeniyle azalır. Buna karşılık, sıcak bir materyalden gelen fotonlar, soğuk bir kaynaktan geniş bir spektrum varlığında algılandığında parlak bir emisyon çizgisi üretilir. Malzemenin yaydığı emisyon nedeniyle dar bir frekans aralığında ışığın yoğunluğu artar.

Spektral çizgiler yüksek oranda atoma özgüdür ve ışığın içinden geçmesine izin verebilen herhangi bir ortamın kimyasal bileşimini belirlemek için kullanılabilir. Helyum , talyum ve sezyum dahil olmak üzere spektroskopik yollarla birkaç element keşfedildi . Spektral çizgiler ayrıca gazın fiziksel koşullarına da bağlıdır, bu nedenle yıldızların ve başka yollarla analiz edilemeyen diğer gök cisimlerinin kimyasal bileşiminin yanı sıra fiziksel koşullarının belirlenmesinde yaygın olarak kullanılırlar .

Atom-foton etkileşimi dışındaki mekanizmalar spektral çizgiler üretebilir. Tam fiziksel etkileşime bağlı olarak (molekülleri, tek parçacıklar, vs.), ilgili fotonların frekansı büyük ölçüde değişecektir ve satırları arasında gözlemlenebilir elektromanyetik spektrumun dışında, radyo dalgaları için gama ışınlarının .

isimlendirme

Spektrumun görünür kısmındaki güçlü spektral çizgiler, genellikle , tek iyonize Ca +' dan çıkan 393.366 nm'de bir çizgi için K gibi benzersiz bir Fraunhofer çizgi atamasına sahiptir , ancak Fraunhofer "çizgilerinden" bazıları, birkaç farklı çizgiden birden fazla çizginin karışımlarıdır. farklı türler . Diğer durumlarda, kimyasal elementin tanımına bir Romen rakamı eklenerek çizgiler iyonizasyon seviyesine göre belirlenir . Nötr atomlar Romen rakamı I ile gösterilir , tek tek iyonize atomlar II ile vb. gösterilir, böylece örneğin Fe IX sekiz kat iyonize demiri temsil eder .

Daha ayrıntılı gösterimler genellikle çizgi dalga boyunu içerir ve bir çoklu sayı (atomik çizgiler için) veya bant gösterimi (moleküler çizgiler için) içerebilir . Atomik hidrojenin birçok spektral çizgisi , Lyman serileri veya Balmer serileri gibi kendi serileri içinde atamalara sahiptir . Başlangıçta tüm spektral çizgiler seriler halinde sınıflandırılırdı: Ana seriler , Sharp serileri ve Diffuse serileri . Bu seriler, tüm elementlerin atomlarında bulunur ve tüm atomlar için modeller, Rydberg-Ritz formülü ile iyi tahmin edilir . Bu seriler daha sonra alt orbitallerle ilişkilendirildi.

Çizgi genişletme ve kaydırma

Spektral çizgi şeklini kontrol eden bir dizi efekt vardır . Bir spektral çizgi, tek bir frekans değil, bir frekans aralığı boyunca uzanır (yani, sıfırdan farklı bir çizgi genişliğine sahiptir). Ek olarak, merkezi, nominal merkezi dalga boyundan kaydırılabilir. Bu genişleme ve kaymanın birkaç nedeni vardır. Bu nedenler iki genel kategoriye ayrılabilir - yerel koşullara bağlı genişleme ve genişletilmiş koşullara bağlı genişleme. Yerel koşullar nedeniyle genişleme, yayan elemanın etrafındaki küçük bir bölgede, genellikle yerel termodinamik dengeyi sağlayacak kadar küçük olan etkilerden kaynaklanır . Genişletilmiş koşullar nedeniyle genişleme, radyasyonun gözlemciye doğru giderken spektral dağılımındaki değişikliklerden kaynaklanabilir. Birbirinden uzak birkaç bölgeden gelen radyasyonun bir araya gelmesinden de kaynaklanabilir.

Yerel etkiler nedeniyle genişleme

Doğal genişleme

Uyarılmış durumların ömrü, yaşam boyu genişleme olarak da bilinen doğal genişleme ile sonuçlanır. Belirsizlik ilkesi (nedeniyle bir uyarılmış duruma ömrünü ilgilidir kendiliğinden radyatif sönümü veya Auger işleminin enerjisi belirsizlik ile). Bazı yazarlar, spontan ışıma bozulmasının neden olduğu doğal genişleme kısmına özel olarak atıfta bulunmak için "ışıma genişlemesi" terimini kullanır. Kısa bir ömür, büyük bir enerji belirsizliğine ve geniş bir emisyona sahip olacaktır. Bu genişleme etkisi, kaydırılmamış bir Lorentzian profili ile sonuçlanır . Doğal genişleme, yalnızca bozulma oranlarının yapay olarak bastırılabileceği veya artırılabileceği ölçüde deneysel olarak değiştirilebilir.

Termal Doppler genişlemesi

Radyasyon yayan bir gazdaki atomlar bir hız dağılımına sahip olacaktır. Yayılan her foton , atomun gözlemciye göre hızına bağlı olarak Doppler etkisi ile "kırmızı" veya "mavi" olacaktır . Gazın sıcaklığı ne kadar yüksek olursa, gazdaki hızların dağılımı o kadar geniş olur. Spektral çizgi, yayılan tüm radyasyonun bir kombinasyonu olduğundan, gazın sıcaklığı ne kadar yüksek olursa, o gazdan yayılan spektral çizgi o kadar geniş olur. Bu genişleme etkisi bir Gauss profili ile tanımlanır ve ilişkili bir kayma yoktur.

Basınç genişlemesi

Yakındaki parçacıkların varlığı, tek bir parçacık tarafından yayılan radyasyonu etkileyecektir. Bunun gerçekleştiği iki sınırlayıcı durum vardır:

  • Darbe basıncı genişlemesi veya çarpışma genişlemesi : Diğer parçacıkların ışık yayan parçacık ile çarpışması, emisyon sürecini kesintiye uğratır ve süreç için karakteristik süreyi kısaltarak, yayılan enerjideki belirsizliği arttırır (doğal genişlemede olduğu gibi). Çarpışmanın süresi, emisyon sürecinin ömründen çok daha kısadır. Bu etki gazın hem yoğunluğuna hem de sıcaklığına bağlıdır . Genişleme etkisi bir Lorentzian profili ile tanımlanır ve ilişkili bir kayma olabilir.
  • Yarı statik basınç genişlemesi : Diğer parçacıkların varlığı, yayan parçacıktaki enerji seviyelerini değiştirir, böylece yayılan radyasyonun frekansını değiştirir. Etki süresi, emisyon sürecinin ömründen çok daha uzundur. Bu etki gazın yoğunluğuna bağlıdır , ancak sıcaklığa karşı oldukça duyarsızdır . Çizgi profilinin biçimi, bozucu parçacıktan uzaklığa göre, bozucu kuvvetin işlevsel biçimi tarafından belirlenir. Çizgi merkezinde de bir kayma olabilir. Yarı statik basınç genişlemesinden kaynaklanan çizgi şekli için genel ifade, sabit dağılım olarak bilinen Gauss dağılımının 4 parametreli bir genellemesidir .

Basınç genişlemesi, bozucu kuvvetin doğasına göre de şu şekilde sınıflandırılabilir:

  • Lineer Stark genişlemesi , bir emitörün belirli bir mesafedeki yüklü bir parçacığın elektrik alanıyla etkileşiminden kaynaklanan ve alan gücünde lineer olan enerjide bir kaymaya neden olan lineer Stark etkisi yoluyla gerçekleşir .
  • Rezonans genişlemesi , rahatsız edici parçacık, yayan parçacık ile aynı tipte olduğunda meydana gelir, bu da bir enerji değişim süreci olasılığını ortaya çıkarır.
  • Kuadratik Stark genişlemesi , bir emitörün bir elektrik alanıyla etkileşiminden kaynaklanan ve alan kuvvetinde ikinci dereceden olan enerjide bir kaymaya neden olan kuadratik Stark etkisi yoluyla gerçekleşir .
  • Van der Waals genişlemesi , yayılan parçacık Van der Waals kuvvetleri tarafından bozulduğunda meydana gelir . Yarı statik durum için, bir Van der Waals profili , profili tanımlamada genellikle yararlıdır. Mesafenin bir fonksiyonu olarak enerji kayması kanatlarda örneğin Lennard-Jones potansiyeli tarafından verilir .

homojen olmayan genişleme

Homojen olmayan genişleme , yayılma için genel bir terimdir, çünkü bazı yayan parçacıklar diğerlerinden farklı bir yerel ortamdadır ve bu nedenle farklı bir frekansta yayılır. Bu terim özellikle yüzeyler, tane sınırları ve stokiyometri varyasyonlarının belirli bir atomun işgal etmesi için çeşitli yerel ortamlar yaratabildiği katılar için kullanılır. Sıvılarda, homojen olmayan genişlemenin etkileri bazen hareket daralması adı verilen bir süreçle azaltılır.

Yerel olmayan etkiler nedeniyle genişleme

Bazı genişleme türleri, sadece yayan parçacık için yerel olan koşullardan ziyade, geniş bir uzay bölgesi üzerindeki koşulların sonucudur.

Opaklık genişletme

Uzayda belirli bir noktada yayılan elektromanyetik radyasyon, uzayda seyahat ederken yeniden emilebilir. Bu absorpsiyon dalga boyuna bağlıdır. Çizgi genişler çünkü çizgi merkezindeki fotonlar, çizgi kanatlarındaki fotonlardan daha büyük bir yeniden soğurma olasılığına sahiptir. Gerçekten de, çizgi merkezi yakınında yeniden emilim, çizginin merkezindeki yoğunluğun kanatlardakinden daha az olduğu bir kendi kendini tersine çevirmeye neden olacak kadar büyük olabilir . Bu sürece bazen kendi kendine emilim de denir .

Makroskopik Doppler genişlemesi

Hareketli bir kaynak tarafından yayılan radyasyon, sonlu bir görüş hattı hız projeksiyonu nedeniyle Doppler kaymasına tabidir . Yayıcı cismin farklı bölümlerinin farklı hızları varsa (görüş hattı boyunca), ortaya çıkan çizgi, çizgi genişliği hız dağılımının genişliğiyle orantılı olacak şekilde genişletilecektir. Örneğin, bir yıldız gibi uzaktaki dönen bir cisimden yayılan radyasyon, yıldızın karşıt taraflarındaki hızdaki görüş hattı değişiklikleri nedeniyle genişleyecektir. Dönme hızı ne kadar büyük olursa, çizgi o kadar geniş olur. Başka bir örnek, bir Z- tutamdaki içe doğru patlayan bir plazma kabuğudur .

Birleşik efektler

Bu mekanizmaların her biri, ayrı ayrı veya diğerleriyle birlikte hareket edebilir. Her etkinin bağımsız olduğu varsayıldığında, gözlemlenen çizgi profili, her mekanizmanın çizgi profillerinin bir evrişimidir. Örneğin, termal Doppler genişlemesi ve darbe basıncı genişlemesinin bir kombinasyonu bir Voigt profili verir .

Ancak, farklı hat genişletme mekanizmaları her zaman bağımsız değildir. Örneğin, çarpışma etkileri ve hareketli Doppler kaymaları tutarlı bir şekilde hareket edebilir ve bazı koşullar altında Dicke etkisi olarak bilinen bir çarpışma daralmasında bile sonuçlanabilir .

Kimyasal elementlerin spektral çizgileri

Bantlar

"Spektral çizgiler" ifadesi, nitelenmemiş olduklarında, genellikle , tam elektromanyetik spektrumun görünür bandında dalga boylarına sahip olan çizgilere atıfta bulunur . Bu aralığın dışındaki dalga boylarında birçok spektral çizgi oluşur. Daha yüksek enerjilere karşılık gelen daha kısa dalga boylarında, ultraviyole spektral çizgileri, Lyman hidrojen serisini içerir . X-ışınlarının çok daha kısa dalga boylarında , çizgiler, belirli bir kimyasal element için kimyasal ortamlarından bağımsız olarak büyük ölçüde değişmeden kaldıkları için karakteristik X-ışınları olarak bilinir . Daha uzun dalga boyları, kızılötesi spektral çizgilerin Paschen hidrojen serisini içerdiği daha düşük enerjilere karşılık gelir . Daha da uzun dalga boylarında, radyo spektrumu , kozmos boyunca nötr hidrojeni tespit etmek için kullanılan 21 cm'lik çizgiyi içerir .

Görülebilir ışık

Her element için aşağıdaki tablo, yaklaşık 400-700 nm'de görünür spektrumda görünen spektral çizgileri gösterir .

eleman Z Sembol spektral çizgiler
hidrojen 1 H Hidrojen spektrumu görünür.png
helyum 2 o Helyum spektrumu görünür.png
lityum 3 Li Lityum spektrumu görünür.png
berilyum 4 olmak Berilyum spektrumu görünür.png
bor 5 B Bor spektrumu görünür.png
karbon 6 C Karbon spektrumu görünür.png
azot 7 n Azot spektrumu görünür.png
oksijen 8 Ö Oksijen spektrumu görünür.png
flor 9 F Flor spektrumu görünür.png
neon 10 Ne Neon spektrum görünür.png
sodyum 11 Na Sodyum spektrumu görünür.png
magnezyum 12 Mg Magnezyum spektrumu görünür.png
alüminyum 13 Al Alüminyum spektrum görünür.png
silikon 14 Si Silikon spektrumu görünür.png
fosfor 15 P Fosfor spektrumu görünür.png
kükürt 16 S Kükürt spektrumu görünür.png
klor 17 Cl Klor spektrumu görünür.png
argon 18 Ar Argon spektrumu görünür.png
potasyum 19 K Potasyum spektrumu görünür.png
kalsiyum 20 CA Kalsiyum spektrumu görünür.png
skandiyum 21 sc Skandiyum spektrumu görünür.png
titanyum 22 Ti Titanyum spektrumu görünür.png
vanadyum 23 V Vanadyum spektrumu görünür.png
krom 24 cr Krom spektrumu görünür.png
manganez 25 Mn Manganez spektrumu görünür.png
Demir 26 Fe Demir spektrumu görünür.png
kobalt 27 ortak Kobalt spektrumu görünür.png
nikel 28 Ni Nikel spektrumu görünür.png
bakır 29 Cu Bakır spektrum görünür.png
çinko 30 çinko Çinko spektrumu görünür.png
galyum 31 ga Galyum spektrumu görünür.png
germanyum 32 Ge Germanyum spektrumu görünür.png
arsenik 33 Olarak Arsenik spektrumu görünür.png
selenyum 34 Gör Selenyum spektrumu görünür.png
brom 35 Br Brom spektrumu görünür.png
kripton 36 Kr Kripton spektrumu görünür.png
rubidyum 37 Rb Rubidyum spektrumu görünür.png
stronsiyum 38 Bay Stronsiyum spektrumu görünür.png
itriyum 39 Y İtriyum spektrumu görünür.png
zirkonyum 40 Zr Zirkonyum spektrumu görünür.png
niyobyum 41 not Niyobyum spektrumu görünür.png
molibden 42 ay Molibden spektrumu görünür.png
teknesyum 43 Tc Teknesyum spektrumu görünür.png
rutenyum 44 Ru Rutenyum spektrumu görünür.png
rodyum 45 Rh Rodyum spektrumu görünür.png
paladyum 46 PD Paladyum spektrumu görünür.png
gümüş 47 Ag Gümüş spektrum görünür.png
kadmiyum 48 CD Kadmiyum spektrumu görünür.png
indiyum 49 İçinde İndiyum spektrumu görünür.png
teneke 50 Sn Kalay spektrumu görünür.png
antimon 51 Sb Antimon spektrumu görünür.png
tellür 52 Te Tellür spektrumu görünür.png
iyot 53 ben İyot spektrumu görünür.png
ksenon 54 Xe Xenon spektrumu görünür.png
sezyum 55 C'ler Sezyum spektrumu görünür.png
baryum 56 Ba Baryum spektrumu görünür.png
lantan 57 La Lantan spektrumu görünür.png
seryum 58 CE Seryum spektrumu görünür.png
praseodimyum 59 Halkla İlişkiler Praseodimyum spektrumu görünür.png
neodimyum 60 Nd Neodimyum spektrumu görünür.png
prometyum 61 Öğleden sonra Promethium spektrum görünür.png
samaryum 62 Sm Samaryum spektrumu görünür.png
öropyum 63 AB Europium spektrumu görünür.png
gadolinyum 64 gd Gadolinyum spektrumu görünür.png
terbiyum 65 yemek Terbiyum spektrumu görünür.png
disporsiyum 66 dy Disprosyum spektrumu görünür.png
holmiyum 67 Ho Holmiyum spektrumu görünür.png
erbiyum 68 Er Erbiyum spektrumu görünür.png
tülyum 69 Tm Thulium spektrumu görünür.png
iterbiyum 70 yb İterbiyum spektrumu görünür.png
lutesyum 71 lu Lutesyum spektrumu görünür.png
hafniyum 72 hf Hafniyum spektrumu görünür.png
tantal 73 Ta Tantal spektrum görünür.png
tungsten 74 W Tungsten spektrum görünür.png
renyum 75 Tekrar Renyum spektrumu görünür.png
osmiyum 76 İşletim sistemi Osmiyum spektrumu görünür.png
iridyum 77 ir İridyum spektrumu görünür.png
platin 78 nokta Platin spektrum görünür.png
altın 79 Au Altın spektrum görünür.png
talyum 81 TL Talyum spektrumu görünür.png
öncülük etmek 82 Pb Kurşun spektrumu görünür.png
bizmut 83 Bi Bizmut spektrumu görünür.png
polonyum 84 po Polonyum spektrumu görünür.png
radon 86 Rn Radon spektrumu görünür.png
radyum 88 Ra Radyum spektrumu görünür.png
aktinyum 89 AC Aktinyum spektrumu görünür.png
toryum 90 NS Toryum spektrumu görünür.png
protaktinyum 91 baba Protactinium spektrumu görünür.png
uranyum 92 sen Uranyum spektrumu görünür.png
neptünyum 93 np Neptünyum spektrumu görünür.png
plütonyum 94 Pu Plütonyum spektrumu görünür.png
amerika 95 NS Amerikyum spektrumu görünür.png
küriyum 96 Santimetre Küryum spektrumu görünür.png
berkelyum 97 bk Berkelium spektrumu görünür.png
kaliforniyum 98 bkz. Kaliforniyum spektrumu görünür.png
einsteinyum 99 Es Einsteinium spektrumu görünür.png

Ayrıca bakınız

Notlar

Referanslar

daha fazla okuma