Jonizacja Atomu i Stała Rydberga: Podstawy Spektroskopii
- Szczegóły
Analiza widmowa, znana również jako analiza spektrum, to badanie widma promieniowania elektromagnetycznego. Dział nauki zajmujący się tym zagadnieniem nazywamy spektroskopią. W spektroskopii astronomicznej bada się natężenie, czyli jasność danej długości fali, a także rozmieszczenie i szerokość linii Fraunhofera. Badanie widma pozwala uzyskać informacje o środowisku powstawania lub pochłaniania fali.
Historia i Podstawy Spektroskopii
Początki spektroskopii jako gałęzi naukowej sięgają eksperymentu Newtona z 1666 roku, który rozszczepił światło za pomocą pryzmatu i uzyskał widmowy obraz światła słonecznego. W 1704 roku opisał swoje odkrycie w książce "Optics", wyjaśniając naturę koloru i zależny od niego współczynnik załamania światła. Na początku XVIII wieku inni uczeni, tacy jak Descartes, Hook i Herschel, przeprowadzili podobne eksperymenty.
Dla lepszego przestudiowania zjawiska, Wollaston (1766-1828) zastosował szczelinę zamiast pryzmatu i jako pierwszy odkrył linie absorpcyjne Słońca, obserwując 7 linii, w tym dublet sodowy. Fraunhofer (1787-1826) dołączył do lunety dyspersyjny element optyczny i znalazł w widmie słonecznym około 600 takich linii, które dziś nazywane są liniami Fraunhofera. Wyznaczył dokładną pozycję 350 z nich, wyliczając współczynnik załamania zakrytych przez nie kolorów w 1814 roku.
Współcześnie z odkryciem Fraunhofera, w 1823 roku, W. H. Fox Talbot i John Herschel badali wpływ spalanych pierwiastków na kolor płomienia, sugerując analizę chemiczną na tej podstawie. Brewster w 1832 roku odkrył, że linie Fraunhofera można wytworzyć także w warunkach ziemskich, naliczając około 2000 linii w widmie światła słonecznego przepuszczonego przez opary kwasu azotowego. Zaobserwował, że liczba linii rośnie wraz z grubością warstwy gazu, jej gęstością lub temperaturą. Wnioskował, że atmosfera ziemska zabiera pewne kolory z białego światła słonecznego, co manifestuje się jako linie Fraunhofera.
W 1849 roku Foucault doszedł do wniosku, że absorpcyjna lub emisyjna postać spektrum zależy od tego, czy światło dociera bezpośrednio ze źródła, czy przechodzi przez materię. Święcące gazy pod działaniem wysokiej temperatury i niskiego ciśnienia ukazują oddzielne linie. Gdy światło o widmie ciągłym przechodzi przez chłodniejszy gaz, na kontinuum pojawiają się czarne długości fali, które byłyby liniami emisyjnymi przeświecanego gazu, gdyby to on świecił.
Przeczytaj także: Profesjonalna stylizacja włosów w domu
Linie Widmowe i Reguła Rydberga
Już w XIX wieku naukowcy zauważyli, że linie widmowe pierwiastków układają się w charakterystyczne ciągi. W 1888 roku Johannes Rydberg ogłosił formułę opisującą jednym wzorem wszystkie linie atomu wodoru. Brakowało jednak teoretycznego uzasadnienia dla tych prawidłowości. Pierwszą teorią wyjaśniającą prawidłowości w promieniowaniu atomu wodoru był model atomu Bohra. Według tego modelu widmo liniowe powstaje w wyniku przeskoku elektronu między dozwolonymi poziomami energetycznymi w atomie.
Przeskoki z wyższych poziomów energetycznych na dany tworzą serię linii. Natomiast rozmyta końcówka serii przypominająca widmo ciągłe powstaje jako złożenie wielu linii podczas przeskoku elektronu na dany dla tej serii poziom z możliwych wysokich poziomów energetycznych elektronu, oraz elektronów, które poruszały się pomiędzy zjonizowanymi atomowymi jako swobodne elektrony. W każdym przypadku długość fali powstającego promieniowania jest odwrotnie proporcjonalna do różnicy energii elektronu swobodnego oraz poziomu energetycznego osiągniętego przez elektron na orbicie (na podstawie III prawa Bohra).
Częstotliwość fali świetlnej emitowanej przez atom odpowiada zmianie energii atomu zgodnie ze wzorem ν = E/h. Gdy elektron atomu wodoru zmienia swój stan energetyczny przybierając inny o mniejszej głównej liczbie kwantowej, wtedy nadwyżka energii zostaje wypromieniowana jako kwant światła. Seria Lymana znajduje się w ultrafiolecie, Seria Balmera ma 4 linie w świetle widzialnym, natomiast pozostałe serie leżą w podczerwieni. Linie serii opisuje jeden wzór zwany regułą Rydberga.
Spektra jonów zawierających jeden elektron, czyli jednokrotnie zjonizowanego helu (He+), dwukrotnie zjonizowanego litu (Li2+), trzykrotnie zjonizowanego berylu (Be3+) itd. ukazują silne podobieństwo do spektrum atomu wodoru. Wśród serii wyemitowanych przez zjonizowany hel (jon He+), Z=2) w widmie gwiazdy ζ gwiazdozbioru Rufy jeszcze w 1897r. którą na początku uważano za serię widma atomu wodoru.
Atomy Alkaliczne i Elektron Świecący
Atomy alkaliczne znajdują się w I. grupie głównej układu okresowego, ich zewnętrzną powłokę tworzy jeden elektron, dlatego spośród pierwiastków chemicznych to one najbardziej przypominają wodór, w którego atomie jest tylko 1 elektron. Najbardziej zewnętrzny elektron nazywany jest elektronem świecącym w spektroskopii, a elektronem wartościowości w chemii. Pierwsza z nazw związana jest z tym, że widmo optyczne metali alkalicznych powstaje na skutek wzbudzenia tego elektronu, druga natomiast wyraża rolę elektronu we właściwościach chemicznych pierwiastków.
Przeczytaj także: Wszystko o prostownicy z laserową jonizacją
Elektron świecący w atomie alkalicznym może być traktowany jak w atomie wodoru przyjmując, że wewnętrzne elektrony zmniejszają ładunek wytwarzający centralne pole elektryczne, tworząc tzw. korpus atomowy. c to prędkość światła, h =6,626*10-34 Js (stała Plancka), R =1,097*107 m-1 (stała Rydberga), s oraz p człony korekcyjne (dla atomu wodoru ich wartość wynosi 0) tym większe, im cięższy jest atom i im mniejsza jest wartość l pobocznej liczby kwantowej. (Podobnie jak przy atomie wodoru poboczna liczba kwantowa l musi być mniejsza niż główna liczba kwantowa.)
Widmo optyczne powstaje w ten sposób, że różnica pomiędzy dwoma poziomami energetycznymi zostaje wypromieniowana w postaci kwantu światła. Podczas badania widma emisyjnego można zauważyć 4 bardziej intensywne, po części zachodzące na na siebie ciągi linii: ciąg główny, pierwszy i drugi ciąg poboczny oraz ciąg Bergmanna. Ciągi, z wyjątkiem ciągu głównego, prowadzące do wspólnego poziomu tworzą serie zbieżne do wspólnej granicy.
Gdy powstaje widmo absorpcyjne gaz alkaliczny nie ma bardzo wysokiej temperatury, wówczas jego atomy są w stanie podstawowym i dlatego powstaje wyłącznie ciąg główny.
Typy Widm
Zasadniczo można wyróżnić dwa typy widma: ciągłe oraz nie ciągłe. Widma nieciągłe mogą składać się z linii lub pasm, co zależy od tego, czy widmo wytwarzane jest przez atom czy cząsteczkę. Widma składające się z linii dzielą się na seryjne i multipletowe.
- Widma seryjne: Do poziomu podstawowego dołącza nieskończony ciąg wyższych poziomów energetycznych. Widmo tego typu obserwuje się dla atomów z jednym elektronem walencyjnym, np. dla wodoru.
- Widma multipletowe: Powstają w wypadku atomów rozporządzających większą liczbą elektronów walencyjnych. Komplikuje schemat możliwych przeskoków elektronowych, a co za tym idzie, widma również stają się odpowiednio bardziej skomplikowane i wielowarstwowe. W miejsce linii pojawiają się grupy linii, czyli multiplety.
Na widmach cząsteczek obserwuje się linie jak i pasma (pasy) (widmo pasmowe). Pasma widm są układem wielu linii położonych blisko siebie w pewnym zakresie widma, przy dokładnej rejestracji pasma czasami można podzielić na na nieznacznie różniące się od siebie podpoziomy, z tego powodu linie układają się gęsto blisko siebie. Linie widmowe cząsteczki tworzą się w znacznie bardziej skomplikowany sposób niż linie widmowe atomów.
Przeczytaj także: Pyły zawieszone, filtry i jonizacja w oczyszczaczach powietrza
Tutaj poza elektronami drgają także jądra atomowe (wzdłuż osi cząsteczki łączącej jądra), a w pewnych przypadkach równowagi także cała cząsteczka krąży wokół swej osi. Dlatego, przybliżeniu - zaniedbując wzajemny wpływ na siebie tych trzech ruchów - całkowita energia cząsteczki to suma energii elektronów, drgań wewnąrzcząsteczkowych oraz energii obrotowej. Energia drgań i wirowania cząsteczki jest skwantowana podobnie jak energia elektronu w atomie. Badanie widm ostatniego typu jest bardzo ważne, gdyż z ich pomocą można ustalić odległość jądra, częstotliwość drgań jądra, czy też ułożenie elektronów. Stany poszczególnego elektronu można scharakteryzować przy pomocy liczb kwantowych oraz właściwości symetrii.
Zakazane Linie Widmowe
W przypadku spektroskopii astronomicznej w pewnych przypadkach mogą pojawić się tzw. 'zakazane linie'. Są to takie linie widmowe, które nie powstają w warunkach laboratoryjnych, ponieważ do ich wystąpienia potrzebne są ekstremalne warunki fizyczne (np. wyjątkowo niska gęstość). 'Zabronione/zakazane' linie widmowe są liniami jedno- i dwukrotnie zjonizowanego tlenu (O+, O2+), trzy- i czterokrotnie zjonizowanego neonu (Ne3+, Ne4+), jedno- i dwukrotnie zjonizowanej siarki (S+, S2+), trzy- i czterokrotnie zjonizowanego argonu (Ar3+, Ar4+). Warunki potrzebne do powstania takich linii są spełnione w mgławicach emisyjnych.
Procesy Wzbudzenia i Jonizacji
Poziomy energetyczne w modelu atomu Bohra są stanami stacjonarnymi; przejście z jednego stanu w inny może się odbyć się tylko w wyniku oddziaływania z inną cząstką (cząstką jest też Foton). Procesy wywołane oddziaływaniem cząstki na atom mogą być zasadniczo dwóch typów: wzbudzenie lub jonizacja.
- Wzbudzenie: Podczas wzbudzenia elektronem, atom oddziałuje z elektronem na tyle szybkim, że ma on energię kinetyczną wystarczającą do przeprowadzenia atomu ze stanu podstawowego w stan wzbudzony.
A + e → A* + e
gdzie A* oznacza atom wzbudzony, e - elektron. Wzbudzony atom dąży do jak najszybszego przejścia w niższy stan energetyczny, co osiąga w procesie:
A* → A + hν
Przez hν oznaczony jest tutaj kwant światła.
- Jonizacja: W trakcie jonizacji atom zderza się z wysokoenergetycznym elektronem (4) lub fotonem (5), pod wpływem czego elektron atomu osiąga tak wysoki stan wzbudzenia, że opuszcza atom.
A + e → A+ + e + e
A + hν → A+ + e
gdzie A+ oznacza jon czyli taki atom, któremu brakuje jednego elektronu, dlatego posiada on ładunek +e.
Proces odwrotny, czyli przyjęcie elektronu prze atom, podczas którego elektron łączy się z atomem (jonem), a wyzwoloną energię przejmuje inny elektron nazywa się rekombinacją przez potrójną kolizję. Przyjęty elektron może wtedy przyjąć bezpośrednio stan podstawowy lub najpierw stan wzbudzony, skąd, wypromieniowując foton o częstotliwości odpowiedniej linii widma, przejść w stan podstawowy. Rolę elektronu, który przejął energię elektronu przyjętego, mogą pełnić także inne atomy, cząsteczki jak i fotony.
Jonizacja może się odbywać także poprzez przyjmowanie fotonów, mówimy wtedy o fotojonizacji. Warunkiem koniecznym fotojonizacji jest by energia fotonu była wyższa niż energia odpowiadająca granicy ciągu. Ta reakcja oznacza, że atom może pochłonąć nie tylko fotony odpowiednie dla jego widma, wyrażone równaniem (3), ale także takie o energiach wychodzących poza granicę ciągu, powstaną wówczas jony dodatnie, co jest zgodne z doświadczeniem. Proces odwrotny do fotojonizacji nazywany jest rekombinacją promienistą. W jej trakcie jon przejmuje elektron, w wyniku czego staje się atomem obojętnym.
Linie widmowe powstają także podczas tzw. perturbacji. Wolny elektron przelatując w sąsiedztwie atomu doznaje przyspieszenia i - jak naładowana, przyspieszająca cząstka - wytwarza promieniowanie elektromagnetyczne.
Profil Linii Widmowej
Linie widmowe nie są nieskończenie cienkie, natężenie promieniowania maleje lub rośnie (w zależności od tego, czy linia jest absorpcyjna na czy emisyjna) w sposób ciągły od poziomu kontinuum w stronę środka linii z obydwu kierunków. Linie absorpcyjne mogą być wąskie a intensywne, jak i szerokie ale o mniejszej intensywności. W celu porównywania intensywności linii Minnaert i współpracownicy wprowadzili termin szerokość ekwiwalentna linii spektralnej. Szerokość ekwiwalentna nie jest parametrem określającym szerokość linii a jej intensywność.
Profil linii widmowej powstaje, gdyż w zakresie częstotliwości linii widmowej wzrasta współczynnik absorpcji , ponieważ w tym interwale częstotliwości atom jest zdolny zaabsorbować spektrum elektromagnetyczne. Aby móc wyznaczyć profil linii w sposób teoretyczny, trzeba znać zależność od częstotliwości. Współczynnik absorpcji składa się z dwóch składowych: współczynnika absorpcji ciągłej, oraz współczynnika absorpcji selektywnej.
Tworząc wykres zależności natężenia od długości fali, otrzymujemy profil (kontur) linii. Odcinek środkowy to centrum linii, dwie zewnętrzne części nazywamy skrzydłami, wszystkie trzy części razem dają szerokość linii. Wielkość rν = Iν / Iν° nazywamy natężeniem resztkowym. Profil linii absorpcyjnych, głównie jej szerokość, jest inna przy prowadzeniu doświadczeń na Ziemi , jak i dla światla docierajacego z kosmosu. Najprostrzym parametrem określającym szerokość linii jest jej szerokość połówkowa, choć częściej mówi się o profilu linii widmowych.
Wyróżnić można dwa rodzaje absorpcji selektywnej. Zależnie od przypadku występuje tylko jeden rodzaj absorpcji (np. czyste rozproszenie). O rzeczywistej absorpcji selektywnej mówimy, gdy foton jest zaabsorbowany przez atom, którego wzbudza. Wzbudzony elektron w czasie ok. 10·10-12s schodzi na niższy poziom energetyczny. Jednakże w przypadku rzeczywistej absorpcji nie zawsze wraca do stanu wyjściowego, wówczas energia pochłoniętego fotonu nie jest równa energii fotonu wyemitowanego wskutek przejścia elektronu w niższy stan energetyczny.
Czyste rozproszenie ma miejsce wtedy, gdy po zaabsorbowaniu fotonu o częstotliwości ν1 następuje emisja fotonu o tej samej częstotliwości ν1. Badanie profilu linii, w tym i jej parametru poszerzenia linii widmowej, danej gwiazdy (źródła światła) jest ważne, gdyż z nich można wnioskować o wielu właściwościach fizycznych tego ciała niebieskiego.
Poszerzenie Linii Widmowych
W trakcie badań zaobserwowano, że linie spektralne nie składają się z nieskończenie cienkich linii, ale następuje ich rozciąganie, zależne od długości fali. To zjawisko można tłumaczyć korzystając z zasady nieoznaczoności Heisenberga, wedle której nie można wyznaczyć wartości dwóch nie zamiennych na siebie wielkości fizycznych w jednakowym czasie i z dowolną dokładnością.
Inny powód poszerzenia linii to poszerzenie pod wpływem oddziaływań - w wyniku zderzeń atomowych skraca się czas utrzymywania stanu wzbudzonego, przez co atomy szybciej przechodzą do stanu podstawowego, zwiększając nieokreśloność energii. Trzeci powód to poszerzenie termiczne wywołane efektem dopplerowskim spowodowanym ruchami termicznymi.
Światło i Widmo Elektromagnetyczne
Fizyka atomowa posługuje się pojęciem widma promieniowania, które opisuje rozkład promieniowania ze względu na długość fali, energię lub częstotliwość. Światło widzialne to tylko wąski fragment całego spektrum elektromagnetycznego - obejmuje długości fal od około 400 nm (fiolet) do 700 nm (czerwień).
Światło ma niezwykłą, dwoistą naturę. Historia jego zrozumienia to fascynująca podróż przez teorie największych umysłów. Eksperymenty Younga z dyfrakcją i interferencją wskazywały na falową naturę światła, a Maxwell sklasyfikował je jako falę elektromagnetyczną. Foton, podstawowa cząstka światła, niesie ze sobą ściśle określoną porcję energii - kwant energii.
Atomy emitują charakterystyczne serie widmowe - zestawy linii spektralnych o określonych długościach fal. Każda seria odpowiada przejściom elektronu między określonymi poziomami energetycznymi atomu. Na przykład, dla trzeciej linii serii Balmera mamy m = 2 i n = 2 + 3 = 5.
Modele Atomu
Historia modeli atomu pokazuje ewolucję naszego rozumienia materii. Model Thomsona (tzw. Przełomowe doświadczenie Rutherforda zmieniło ten pogląd. Bombardując cienką folię złota cząstkami alfa, zaobserwował, że większość cząstek przenikała przez folię, ale niektóre odbijały się pod dużymi kątami.
Model Bohra (znany jako model planetarny) doprecyzował tę wizję. Pierwszy postulat Bohra wprowadza kwantyzację ruchu elektronu. Drugi postulat Bohra wyjaśnia procesy emisji i absorpcji energii. Elektron krążący po dozwolonej orbicie nie promieniuje energii. Emituje lub pochłania kwant energii tylko podczas przeskoku między orbitami.
gdzie A = 13,6 eV (elektronowoltów) to energia na pierwszej orbicie. Ujemna energia elektronu w atomie oznacza, że jest on "uwięziony" w polu elektrycznym jądra.
Zjawisko Fotoelektryczne
Zjawisko fotoelektryczne to fascynujący proces, w którym światło wybija elektrony z powierzchni metalu. Foton padający na metal przekazuje całą swoją energię pojedynczemu elektronowi i przestaje istnieć. Część tej energii (zwana pracą wyjścia) zostaje zużyta na wybicie elektronu z powierzchni metalu.
Zjawisko fotoelektryczne znajduje praktyczne zastosowanie w bateriach słonecznych, noktowizorach i obwodach elektrycznych sterowanych światłem. Zjawisko fotoelektryczne to proces wybijania elektronów z powierzchni metalu pod wpływem padającego promieniowania.
Einstein udowodnił korpuskularną naturę światła właśnie dzięki zjawisku fotoelektrycznemu, co początkowo spotkało się ze sceptycyzmem środowiska naukowego.
Fizyka kwantowa i atomowa wymaga umiejętności posługiwania się wzorami na energię fotonu i zjawisko fotoelektryczne.
tags: #jonizacja #atomu #stała #rydberga #definicja
