발광 스펙트럼은 두 에너지 상태 사이의 천이시 원자 및 분자에 의해 방출 된 광의 파장의 스펙트럼이다. 프리즘에 비추는 백색광 또는 가시 광선은 각 색상에 대해 특정 파장을 가진 다른 색상으로 분해됩니다. 얻어진 색상의 패턴은 방출 스펙트럼이라고하는 빛의 가시 광선 스펙트럼입니다.
원자, 분자 및 물질은 또한 외부에서 적절한 양의 에너지를 흡수하여 두 에너지 상태 사이를 이동할 때 빛의 방출로 인해 방출 스펙트럼을 갖습니다. 이 빛을 프리즘을 통해 통과 시키면 각 요소마다 다른 파장을 가진 스펙트럼 컬러 라인으로 분해됩니다.
방출 스펙트럼의 중요성은 방출 분광기 기술을 사용하여 스펙트럼 라인을 분석하여 알려지지 않은 물질과 천체의 구성을 결정할 수 있다는 것입니다.
다음으로, 방출 스펙트럼의 구성과 해석 방법에 대해 설명하고 몇 가지 예를 언급하고 방출과 흡수 스펙트럼 사이에 존재하는 차이점을 설명합니다.
방출 스펙트럼이란 무엇입니까?
원 소나 물질의 원자는 전자기력에 의해 결합 된 전자와 양성자를 가지고 있습니다. Bohr 모델에 따르면 전자는 원자의 에너지가 가능한 가장 낮은 방식으로 배열됩니다. 이 에너지 에너지 수준을 원자의 기저 상태라고합니다.
원자가 외부에서 에너지를 얻으면 전자는 더 높은 에너지 수준으로 이동하고 원자는 기저 상태를 여기 상태로 변경합니다.
여기 상태에서 전자의 체류 시간은 매우 짧습니다 (≈ 10-8 초) (1). 원자는 불안정하고 기저 상태로 돌아가 중간 에너지 수준을 통과합니다.
그림 1. a) 여기 에너지 수준과 기본 에너지 수준 사이의 원자 전이로 인한 광자의 방출. b) 중간 에너지 수준 사이의 원자 전이로 인한 광자의 방출.
여기 상태에서 기저 상태로 전이하는 과정에서 원자는 두 상태 간의 에너지 차이와 동일한 에너지를 가진 광자의 광자를 방출하며, 주파수에 정비례하고 파장 λ에 반비례합니다.
방출 된 광자는 스펙트럼 선 (2)이라고하는 밝은 선으로 표시되며 원자의 전이에서 방출 된 광자 집합의 스펙트럼 에너지 분포는 방출 스펙트럼입니다.
방출 스펙트럼의 해석
원자의 전이 중 일부는 온도 상승이나 광선, 전자 흐름 또는 화학 반응과 같은 다른 외부 에너지 원의 존재로 인해 발생합니다.
수소와 같은 가스가 저압의 챔버에 배치되고 전류가 챔버를 통과하면 가스는 다른 가스와 구별되는 자체 색상으로 빛을 발합니다.
방사 된 빛을 프리즘을 통해 통과시킴으로써 무지개 빛을 얻는 대신, 이산 단위는 특정 파장을 가진 컬러 라인 형태로 얻어지며, 이산 단위는 이산적인 양의 에너지를 전달합니다.
방출 스펙트럼의 선은 각 요소에서 고유하며 분광기 기술에서 사용하면 방출 된 광자의 파장을 분석하여 미지 물질의 원소 구성과 천체의 구성을 결정할 수 있습니다. 원자의 전이 동안.
방출 스펙트럼과 흡수 스펙트럼의 차이.
흡수 및 방출 과정에서 원자는 두 에너지 상태 사이에서 전이되지만 외부에서 에너지를 얻고 여기 상태에 도달하는 것은 흡수 상태입니다.
방출 스펙트럼 라인은 백색광의 연속 스펙트럼과 반대입니다. 첫 번째에서는 스펙트럼 분포가 밝은 선의 형태로 관찰되고 두 번째에서는 연속적인 색상 밴드가 관찰됩니다.
백색 광선이 저압의 챔버에 둘러싸인 수소와 같은 가스에 부딪히면 빛의 일부만 가스에 흡수되고 나머지는 투과됩니다.
투과 된 빛이 프리즘을 통과하면 각기 다른 파장을 가진 스펙트럼 라인으로 분해되어 가스의 흡수 스펙트럼을 형성합니다.
흡수 스펙트럼은 방출 스펙트럼과 완전히 반대이며 각 요소마다 다릅니다. 동일한 원소의 두 스펙트럼을 비교할 때 방출 스펙트럼 선이 흡수 스펙트럼에서 누락 된 선임을 관찰합니다 (그림 2).
그림 2. a) 방출 스펙트럼 및 b) 흡수 스펙트럼 (저자 : Stkl. 출처 : https://commons.wikimedia.org/wiki/Main_Page)
화학 원소 방출 스펙트럼의 예
a) 스펙트럼의 가시 영역에서 수소 원자의 스펙트럼 라인은 656.3nm의 빨간색 선, 486.1nm의 밝은 파란색, 434nm의 진한 파란색 및 410nm의 매우 희미한 보라색입니다. 이러한 파장은 최신 버전의 Balmer-Rydberg 방정식에서 얻습니다 (3).
스펙트럼 라인의 파수
Rydberg 상수 (109666.56 cm-1)
가장 높은 에너지 수준
가장 높은 에너지 수준
그림 3. 수소 방출 스펙트럼 (저자 : Adrignola. 출처 : commons.wikimedia.org)
b) 헬륨의 방출 스펙트럼은 가시 영역에 하나와 자외선 근처에있는 두 개의 주 라인을 가지고 있습니다. Peterson (4)은 Bohr 모델을 사용하여 두 전자가 n = 5 상태로 여러 번 동시에 전이 된 결과 스펙트럼의 가시 영역에서 일련의 헬륨 방출 선을 계산하고 파장 값을 얻었습니다. 실험 결과와 일치합니다. 얻은 파장은 468.8nm, 450.1nm, 426.3nm, 418.4nm, 412.2nm, 371.9nm입니다.
c) 나트륨의 방출 스펙트럼은 D 라인이라고 불리는 589nm와 589.6nm의 두 개의 매우 밝은 라인을 가지고 있습니다 (5). 다른 선들은 이것들보다 훨씬 약하고, 실용적인 목적으로 모든 나트륨 광은 D 선에서 오는 것으로 간주됩니다.
참고 문헌
- 수소 원자의 여기 상태 수명 측정. VA Ankudinov, SV Bobashev 및 EP Andreev. 1965 년, 소비에트 물리학 JETP, 21 권, pp. 26-32.
- Demtröder, W. Laser Spectroscopy 1. Kaiserslautern : Springer, 2014.
- DKRai, SN Thakur 및. 원자, 레이저 및 분광학. 뉴 델리 : Phi Learning, 2010.
- 보어의 재검토 : 헬륨의 모형 및 espectral 라인. Peterson, C. 5, 2016, 저널 오브 젊은 수사관, 30 권, pp. 32-35.
- 화학 교육 저널. JR Appling, FJ Yonke, RA Edgington 및 S. Jacobs. 3, 1993, Vol.70, pp. 250-251.