Спектральная линия - Spectral line

Непрерывный спектр

Линии поглощения воздуха при непрямом освещении, когда источник прямого света не виден, так что газ не находится непосредственно между источником и детектором. Вот, Линии фраунгофера в солнечном свете и Рэлеевское рассеяние этого солнечного света является «источником». Это спектр голубого неба, расположенного недалеко от горизонта и направленного на восток в районе 15 или 16 часов (то есть Солнце направлено на запад.^{[требуется разъяснение ]}) в ясный день.

А спектральная линия темная или светлая линия на другой форме и непрерывный спектр, в результате выброс или поглощение из свет в узком частотном диапазоне по сравнению с соседними частотами. Спектральные линии часто используются для идентификации атомы и молекулы. Эти «отпечатки пальцев» можно сравнить с ранее собранными «отпечатками пальцев» атомов и молекул.^[1] и таким образом используются для идентификации атомных и молекулярных компонентов звезды и планеты, что иначе было бы невозможно.

Типы линейчатых спектров

Непрерывный спектр лампа накаливания (середина) и дискретные линии спектра флюоресцентная лампа (дно)

Спектральные линии являются результатом взаимодействия между квантовая система (обычно атомы, но иногда молекулы или атомные ядра ) и одиночный фотон. Когда у фотона достаточно энергии (которая зависит от его частоты)^[2] чтобы позволить изменение энергетического состояния системы (в случае атома это обычно электрон изменение орбитали ) фотон поглощается. Затем он будет спонтанно переизлучен либо на той же частоте, что и исходный, либо в каскаде, где сумма энергий испускаемых фотонов будет равна энергии поглощенного (при условии, что система вернется к исходному состоянию. государственный).^{[нужна цитата ]}

Спектральную линию можно наблюдать либо как линия излучения или линия поглощения. Тип наблюдаемой линии зависит от типа материала и его температуры относительно другого источника излучения. Линия поглощения образуется, когда фотоны от горячего источника широкого спектра проходят через холодный материал. Интенсивность света в узком диапазоне частот снижается из-за поглощения материалом и повторного излучения в случайных направлениях. Напротив, яркая линия излучения возникает, когда фотоны от горячего материала обнаруживаются в присутствии широкого спектра от холодного источника. Интенсивность света в узком диапазоне частот увеличивается из-за излучения материала.

Спектральные линии сильно зависят от атома и могут использоваться для определения химического состава любой среды, способной пропускать свет через нее. Некоторые элементы были обнаружены спектроскопическими методами, в том числе гелий, таллий, и цезий. Спектральные линии также зависят от физических условий газа, поэтому они широко используются для определения химического состава звезды и другие небесные тела, которые не могут быть проанализированы другими способами, а также их физическое состояние.

Спектральные линии могут образовываться не только при взаимодействии атома с фотоном, но и при других механизмах. В зависимости от точного физического взаимодействия (с молекулами, отдельными частицами и т. Д.) Частота задействованных фотонов будет широко варьироваться, и можно наблюдать линии поперек электромагнитный спектр, из радиоволны к гамма лучи.

Номенклатура

Сильные спектральные линии в видимый часть спектра часто имеет уникальный Линия фраунгофера обозначение, например K для линии 393,366 нм, возникающей из однократно ионизованной Ca⁺, хотя некоторые из «линий» фраунгофера представляют собой смешение нескольких линий из разных разновидность. В остальных случаях линии обозначаются по уровню ионизация добавив Римская цифра к обозначению химический элемент, так что Ca⁺ также имеет обозначение Ca II или Ca^II. Нейтральные атомы обозначаются римской цифрой I, однократно ионизированные атомы - буквой II и так далее, так что, например, Fe^IX (IX, римская девятка) представляет восемь раз ионизированный утюг.

Более подробные обозначения обычно включают строку длина волны и может включать мультиплет число (для атомарных строк) или обозначение диапазона (для молекулярных линий). Многие спектральные линии атомных водород также имеют обозначения в соответствующих серии, такой как Серия Лайман или Серия Бальмера. Первоначально все спектральные линии были разделены на серии: Принцип серии, Sharp серия, и Диффузная серия. Эти серии существуют для атомов всех элементов, и закономерности для всех атомов хорошо предсказываются Формула Ридберга-Ритца. По этой причине база данных спектральных линий NIST содержит столбец для линий, рассчитанных Ритцем. Позднее эти серии стали ассоциироваться с суборбиталями.

Уширение и смещение линии

Есть ряд эффектов, которые контролируют форма спектральной линии. Спектральная линия простирается в диапазоне частот, а не на одной частоте (т. Е. Имеет ненулевую ширину линии). Кроме того, его центр может быть смещен от номинальной центральной длины волны. Это расширение и сдвиг объясняется несколькими причинами. Эти причины можно разделить на две общие категории - расширение из-за местных условий и расширение из-за расширенных условий. Расширение из-за местных условий происходит из-за эффектов, которые сохраняются в небольшой области вокруг излучающего элемента, обычно достаточно малой, чтобы гарантировать локальное термодинамическое равновесие. Расширение из-за расширенных условий может быть результатом изменений в спектральном распределении излучения, когда оно проходит путь к наблюдателю. Это также может быть результатом объединения излучения ряда удаленных друг от друга регионов.

Расширение из-за местного воздействия

Естественное уширение

Время жизни возбужденных состояний приводит к естественному уширению, также известному как уширение за время жизни. В принцип неопределенности связывает время жизни возбужденного состояния (из-за спонтанный радиационный распад или Оже процесс ) с неопределенностью его энергии. Короткое время жизни будет иметь большую неопределенность энергии и широкую эмиссию. Этот эффект расширения приводит к несмещенному Лоренцианский профиль. Естественное уширение можно экспериментально изменить только в той степени, в которой скорость распада может быть искусственно подавлена или увеличена.^[3]

Тепловое доплеровское уширение

Атомы в газе, излучающие излучение, будут иметь распределение по скоростям. Каждый испускаемый фотон будет "красным" или "синим", смещенным Эффект Допплера в зависимости от скорости атома относительно наблюдателя. Чем выше температура газа, тем шире распределение скоростей в газе. Поскольку спектральная линия представляет собой комбинацию всего испускаемого излучения, чем выше температура газа, тем шире спектральная линия, испускаемая этим газом. Этот эффект уширения описывается Гауссов профиль и нет связанного смещения сдвига.

Расширение давления

Присутствие соседних частиц повлияет на излучение, испускаемое отдельной частицей. Это происходит в двух предельных случаях:

Расширение ударного давления или столкновительное расширение: Столкновение других частиц с излучающей световой частицей прерывает процесс излучения и, сокращая характерное время процесса, увеличивает неопределенность в излучаемой энергии (как это происходит при естественном расширении).^[4] Продолжительность столкновения намного меньше, чем время эмиссионного процесса. Этот эффект зависит как от плотность и температура газа. Эффект уширения описывается Лоренцианский профиль и может быть связанный сдвиг.
Уширение квазистатического давления: Присутствие других частиц сдвигает уровни энергии излучающей частицы,^{[требуется разъяснение ]} тем самым изменяя частоту испускаемого излучения. Продолжительность воздействия намного больше, чем время процесса эмиссии. Этот эффект зависит от плотность газа, но он довольно нечувствителен к температура. Форма профиля линии определяется функциональной формой возмущающей силы по отношению к расстоянию от возмущающей частицы. Также может быть смещение центра линии. Общее выражение для формы линии, являющейся результатом квазистатического уширения давлением, является 4-параметрическим обобщением гауссова распределения, известного как стабильное распространение.^[5]

Расширение давления также можно классифицировать по характеру возмущающей силы следующим образом:

Линейное штарковское уширение происходит через линейный эффект Штарка, возникающий в результате взаимодействия излучателя с электрическим полем заряженной частицы на расстоянии ${ displaystyle r}$ , вызывая сдвиг энергии, линейный по отношению к напряженности поля. ${ displaystyle ( Delta E sim 1 / r ^ {2})}$
Резонансное уширение возникает, когда возмущающая частица принадлежит к тому же типу, что и излучающая частица, что вводит возможность процесса обмена энергией. ${ displaystyle ( Delta E sim 1 / r ^ {3})}$
Квадратичное штарковское уширение происходит через квадратичный эффект Штарка, который возникает в результате взаимодействия излучателя с электрическим полем, вызывающего сдвиг энергии, квадратичный по напряженности поля. ${ displaystyle ( Delta E sim 1 / r ^ {4})}$
Уширение Ван-дер-Ваальса возникает, когда излучающая частица возмущена силы Ван дер Ваальса. Для квазистатического случая a профиль ван дер Ваальса^{[примечание 1]} часто бывает полезно при описании профиля. Сдвиг энергии как функция расстояния^{[необходимо определение ]} дается в крыльях, например, то Потенциал Леннарда-Джонса. ${ displaystyle ( Delta E sim 1 / r ^ {6})}$

Неоднородное уширение

Неоднородное уширение - это общий термин для обозначения уширения, потому что некоторые излучающие частицы находятся в другой локальной среде, чем другие, и поэтому излучают с другой частотой. Этот термин используется особенно для твердых тел, где поверхности, границы зерен и вариации стехиометрии могут создавать множество локальных сред, которые может занимать данный атом. В жидкостях эффекты неоднородного уширения иногда уменьшаются с помощью процесса, называемого двигательное сужение.

Расширение из-за нелокальных эффектов

Определенные типы уширения являются результатом условий в большой области пространства, а не просто условий, локальных для излучающей частицы.

Увеличение непрозрачности

Электромагнитное излучение, испускаемое в определенной точке пространства, может повторно поглощаться при перемещении в пространстве. Это поглощение зависит от длины волны. Линия уширена, потому что фотоны в центре линии имеют большую вероятность обратного поглощения, чем фотоны на крыльях линии. Действительно, реабсорбция вблизи центра линии может быть настолько большой, что вызовет самообращение у которых интенсивность в центре линии меньше, чем в крыльях. Этот процесс также иногда называют самопоглощение.

Макроскопическое доплеровское уширение

Радиация, испускаемая движущимся источником, подвержена Доплеровский сдвиг из-за конечной проекции лучевой скорости. Если разные части излучающего тела имеют разные скорости (вдоль луча зрения), результирующая линия будет расширена с шириной линии, пропорциональной ширине распределения скорости. Например, излучение, исходящее от удаленного вращающегося тела, такого как звезда, будет уширен из-за изменения скорости луча зрения на противоположных сторонах звезды. Чем больше скорость вращения, тем шире линия. Другой пример - взрывающийся плазма оболочка в Z-защемление.

Радиационное расширение

Излучательное уширение профиля спектрального поглощения происходит потому, что резонансное поглощение в центре профиля насыщается при гораздо более низких интенсивностях, чем нерезонансные крылья. Следовательно, с ростом интенсивности поглощение в крыльях растет быстрее, чем поглощение в центре, что приводит к уширению профиля. Радиационное уширение происходит даже при очень низкой интенсивности света.

Комбинированные эффекты

Каждый из этих механизмов может действовать изолированно или в сочетании с другими. Предполагая, что каждый эффект независим, наблюдаемый профиль линии представляет собой свертку профилей линий каждого механизма. Например, сочетание теплового доплеровского уширения и уширения ударного давления дает Профиль Voigt.

Однако разные механизмы расширения линий не всегда независимы. Например, эффекты столкновения и двигательные доплеровские сдвиги могут действовать согласованным образом, что в некоторых условиях приводит даже к столкновению. сужение, известный как Эффект Дике.

Спектральные линии химических элементов

Видимый свет

Для каждого элемента в следующей таблице показаны спектральные линии, которые появляются в видимый спектр примерно при 400-700 нм.


Спектральные линии из химические элементы
Элемент	Z	Символ	Спектральные линии
водород	1	ЧАС
гелий	2	Он
литий	3	Ли
бериллий	4	Быть
бор	5	B
углерод	6	C
азот	7	N
кислород	8	О
фтор	9	F
неон	10	Ne
натрий	11	Na
магний	12	Mg
алюминий	13	Al
кремний	14	Si
фосфор	15	п
сера	16	S
хлор	17	Cl
аргон	18	Ar
калий	19	K
кальций	20	Ca
скандий	21	Sc
титан	22	Ti
ванадий	23	V
хром	24	Cr
марганец	25	Mn
утюг	26	Fe
кобальт	27	Co
никель	28	Ni
медь	29	Cu
цинк	30	Zn
галлий	31	Ga
германий	32	Ge
мышьяк	33	Так как
селен	34	Se
бром	35	Br
криптон	36	Kr
рубидий	37	Руб.
стронций	38	Sr
иттрий	39	Y
цирконий	40	Zr
ниобий	41	Nb
молибден	42	Пн
технеций	43	Tc
рутений	44	RU
родий	45	Rh
палладий	46	Pd
Серебряный	47	Ag
кадмий	48	Компакт диск
индий	49	В
банка	50	Sn
сурьма	51	Sb
теллур	52	Te
йод	53	я
ксенон	54	Xe
цезий	55	CS
барий	56	Ба
лантан	57	Ла
церий	58	Ce
празеодим	59	Pr
неодим	60	Nd
прометий	61	Вечера
самарий	62	См
европий	63	ЕС
гадолиний	64	Б-г
тербий	65	Tb
диспрозий	66	Dy
гольмий	67	Хо
эрбий	68	Э
тулий	69	Тм
иттербий	70	Yb
лютеций	71	Лу
гафний	72	Hf
тантал	73	Та
вольфрам	74	W
рений	75	Re
осмий	76	Операционные системы
иридий	77	Ir
платина	78	Pt
золото	79	Au
таллий	81	Tl
вести	82	Pb
висмут	83	Би
полоний	84	По
радон	86	Rn
радий	88	Ра
актиний	89	Ac
торий	90	Чт
протактиний	91	Па
уран	92	U
нептуний	93	Np
плутоний	94	Пу
америций	95	Am
кюрий	96	См
берклий	97	Bk
калифорний	98	Cf
эйнштейний	99	Es

Другие длины волн

Без уточнения, «спектральные линии» обычно подразумевают, что говорят о линиях с длинами волн, которые попадают в диапазон видимого спектра. Однако есть также много спектральных линий, которые проявляются на длинах волн вне этого диапазона. На гораздо более коротких длинах волн рентгеновского излучения они известны как характеристические рентгеновские лучи. Другие частоты также имеют атомные спектральные линии, такие как Серия Лайман, который попадает в ультрафиолетовый ассортимент.

Смотрите также

Примечания

^ "Профиль Ван-дер-Ваальса" отображается в нижнем регистре почти во всех источниках, например: Статистическая механика поверхности жидкости Клайв Энтони Крокстон, 1980, публикация Wiley-Interscience, ISBN 0-471-27663-4, ISBN 978-0-471-27663-0; И в Журнал технической физики, Том 36, издательство Instytut Podstawowych Problemów Techniki (Polska Akademia Nauk), издатель: Państwowe Wydawn. Наукове., 1995,

дальнейшее чтение

Грим, Ханс Р. (1997). Принципы плазменной спектроскопии. Кембридж: Издательство университета. ISBN 0-521-45504-9.
Грим, Ханс Р. (1974). Уширение спектральной линии плазмой. Нью-Йорк: Академическая пресса. ISBN 0-12-302850-7.
Грим, Ганс Р. (1964). Плазменная спектроскопия. Нью-Йорк: книжная компания McGraw-Hill.

[6] "Профиль Ван-дер-Ваальса" отображается в нижнем регистре почти во всех источниках, например: Статистическая механика поверхности жидкости Клайв Энтони Крокстон, 1980, публикация Wiley-Interscience, ISBN 0-471-27663-4, ISBN 978-0-471-27663-0; И в Журнал технической физики, Том 36, издательство Instytut Podstawowych Problemów Techniki (Polska Akademia Nauk), издатель: Państwowe Wydawn. Наукове., 1995,

[RothmanGordon2013-1] Ротман, L.S .; Gordon, I.E .; Бабиков, Ю .; Barbe, A .; Крис Беннер, D .; Bernath, P.F .; Бирк, М .; Bizzocchi, L .; Boudon, V .; Brown, L.R .; Campargue, A .; Chance, K .; Cohen, E.A .; Coudert, L.H .; Деви, В.М .; Drouin, B.J .; Fayt, A .; Flaud, J.-M .; Gamache, R.R .; Харрисон, Дж. Дж .; Hartmann, J.-M .; Hill, C .; Hodges, J.T .; Jacquemart, D .; Jolly, A .; Lamouroux, J .; Le Roy, R.J .; Li, G .; Long, D.A .; и другие. (2013). «База данных молекулярной спектроскопии HITRAN2012». Журнал количественной спектроскопии и переноса излучения. 130: 4–50. Bibcode:2013JQSRT.130 .... 4R. Дои:10.1016 / j.jqsrt.2013.07.002. ISSN 0022-4073.

[2] Эйнштейн, Альберт (1905). "Об эвристической точке зрения на производство и преобразование света ".

[3] Например, в следующей статье распад подавлялся с помощью микроволнового резонатора, что уменьшало естественное уширение: Габриэль, Джеральд; Х. Демельт (1985). «Наблюдение за подавленным спонтанным излучением». Письма с физическими проверками. 55 (1): 67–70. Bibcode:1985ПхРвЛ..55 ... 67Г. Дои:10.1103 / PhysRevLett.55.67. PMID 10031682.

[4] «Коллизионное расширение». Fas.harvard.edu. Архивировано из оригинал на 2015-09-24. Получено 2015-09-24.

[5] Пич, Г. (1981). «Теория уширения давлением и сдвига спектральных линий». Успехи в физике. 30 (3): 367–474. Bibcode:1981AdPhy..30..367P. Дои:10.1080/00018738100101467. Архивировано из оригинал 14 января 2013 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[примечание 1]