WAT IS HET EMISSIESPECTRUM? (MET VOORBEELDEN) - FYSIEK - 2025

Het emissiespectrum is het spectrum van golflengten van licht dat wordt uitgezonden door atomen en moleculen bij het maken van een overgang tussen twee energietoestanden. Het witte licht of zichtbaar licht dat op een prisma valt, valt uiteen in verschillende kleuren met voor elke kleur specifieke golflengten. Het kleurenpatroon dat wordt verkregen, is het zichtbare stralingsspectrum van licht dat het emissiespectrum wordt genoemd.

Atomen, moleculen en stoffen hebben ook een emissiespectrum door de emissie van licht wanneer ze de juiste hoeveelheid energie van buitenaf absorberen om tussen twee energietoestanden door te gaan. Door dit licht door een prisma te laten gaan, valt het uiteen in spectrale gekleurde lijnen met verschillende golflengten die specifiek zijn voor elk element.

Het belang van het emissiespectrum is dat het het mogelijk maakt om de samenstelling van onbekende stoffen en astronomische objecten te bepalen door de analyse van hun spectraallijnen met behulp van emissiespectroscopietechnieken.

Vervolgens wordt uitgelegd waaruit het emissiespectrum bestaat en hoe het wordt geïnterpreteerd, worden enkele voorbeelden genoemd en de verschillen die er zijn tussen het emissiespectrum en het absorptiespectrum.

Wat is een emissiespectrum?

De atomen van een element of een stof hebben elektronen en protonen die bij elkaar worden gehouden door de elektromagnetische aantrekkingskracht. Volgens het Bohr-model zijn de elektronen zo gerangschikt dat de energie van het atoom zo laag mogelijk is. Dit energieniveau wordt de grondtoestand van het atoom genoemd.

Wanneer de atomen energie van buitenaf krijgen, gaan de elektronen naar een hoger energieniveau en verandert het atoom van grondtoestand naar een aangeslagen toestand.

In de aangeslagen toestand is de verblijftijd van het elektron erg klein (≈ 10-8 s) (1), het atoom is onstabiel en keert terug naar de grondtoestand, indien nodig door tussenliggende energieniveaus.

Figuur 1. a) Emissie van een foton door de overgang van het atoom tussen het excitatie-energieniveau en het fundamentele energieniveau. b) emissie van fotonen door de overgang van het atoom tussen tussenliggende energieniveaus.

Tijdens het overgangsproces van een aangeslagen toestand naar een grondtoestand, zendt het atoom een ​​foton van licht uit met een energie die gelijk is aan het energieverschil tussen de twee toestanden, dat recht evenredig is met de frequentie die omgekeerd evenredig is met zijn golflengte λ.

Het uitgezonden foton wordt weergegeven als een heldere lijn, de spectraallijn (2) genoemd, en de spectrale energieverdeling van de verzameling uitgezonden fotonen bij de overgangen van het atoom is het emissiespectrum.

Interpretatie van het emissiespectrum

Sommige overgangen van het atoom worden veroorzaakt door een temperatuurstijging of door de aanwezigheid van andere externe energiebronnen, zoals een lichtbundel, een stroom elektronen of een chemische reactie.

Als een gas zoals waterstof onder lage druk in een kamer wordt geplaatst en er wordt een elektrische stroom door de kamer geleid, zal het gas licht uitzenden met een eigen kleur die het onderscheidt van andere gassen.

Door het uitgezonden licht door een prisma te laten gaan, in plaats van een regenboog van licht te verkrijgen, worden discrete eenheden verkregen in de vorm van gekleurde lijnen met specifieke golflengten, die discrete hoeveelheden energie dragen.

De lijnen van het emissiespectrum zijn uniek in elk element en hun gebruik van de spectroscopietechniek maakt het mogelijk om zowel de elementaire samenstelling van een onbekende stof als de samenstelling van astronomische objecten te bepalen door de golflengten van de uitgezonden fotonen te analyseren. tijdens de overgang van het atoom.

Verschil tussen emissiespectrum en absorptiespectrum.

Bij absorptie- en emissieprocessen heeft het atoom overgangen tussen twee energietoestanden, maar bij absorptie krijgt het energie van buitenaf en bereikt het de toestand van excitatie.

De spectraallijn van emissie is tegengesteld aan het continue spectrum van wit licht. In de eerste wordt de spectrale verdeling waargenomen in de vorm van heldere lijnen en in de tweede wordt een continue band van kleuren waargenomen.

Als een straal wit licht een gas zoals waterstof raakt, ingesloten in een kamer met lage druk, zal slechts een deel van het licht door het gas worden geabsorbeerd en de rest wordt doorgelaten.

Wanneer doorgelaten licht door een prisma gaat, valt het uiteen in spectraallijnen, elk met een andere golflengte, die het absorptiespectrum van het gas vormen.

Het absorptiespectrum is totaal tegengesteld aan het emissiespectrum en is ook specifiek voor elk element. Bij het vergelijken van beide spectra van hetzelfde element, wordt opgemerkt dat de emissiespectraallijnen degene zijn die ontbreken in het absorptiespectrum (Figuur 2).

Figuur 2. a) Emissiespectrum en b) Absorptiespectrum (Auteur: Stkl. Bron: https://commons.wikimedia.org/wiki/Main_Page)

Voorbeelden van emissiespectra van chemische elementen

a) De spectraallijnen van het waterstofatoom, in het zichtbare gebied van het spectrum, zijn een rode lijn van 656,3 nm, een lichtblauw van 486,1 nm, een donkerblauw van 434 nm en een zeer zwak violet van 410 nm. Deze golflengten worden verkregen uit de Balmer-Rydberg-vergelijking in zijn moderne versie (3).

is het golfnummer van de spectraallijn

is de constante van Rydberg (109666,56 cm-1)

is het hoogste energieniveau

is het hoogste energieniveau

Figuur 3. Emissiespectrum van waterstof (auteur: Adrignola. Bron: commons.wikimedia.org

b) Het emissiespectrum van helium heeft twee reeksen hoofdlijnen, een in het zichtbare gebied en de andere nabij het ultraviolet. Peterson (4) gebruikte het Bohr-model om een ​​reeks heliumemissielijnen in het zichtbare deel van het spectrum te berekenen, als resultaat van verschillende gelijktijdige overgangen van twee elektronen naar de n = 5-toestand, en verkregen waarden van de golflengte consistent met experimentele resultaten. De golflengten die werden verkregen zijn 468,8 nm, 450,1 nm, 426,3 nm, 418,4 nm, 412,2 nm, 371,9 nm.

c) Het emissiespectrum van natrium heeft twee zeer heldere lijnen van 589 nm en 589,6 nm, D-lijnen genoemd (5). De andere lijnen zijn veel zwakker dan deze en om praktische redenen wordt aangenomen dat al het natriumlicht afkomstig is van de D-lijnen.

Referenties

1. Meting van de levensduur van aangeslagen toestanden van het waterstofatoom. VA Ankudinov, SV Bobashev en EP Andreev. 1, 1965, Soviet Physics JETP, deel 21, blz. 26-32.
2. Demtröder, W. Laser spectroscopie 1. Kaiserslautern: Springer, 2014.
3. DKRai, SN Thakur en. Atoom, laser en spectroscopie. New Delhi: Phi Learning, 2010.
4. Bohr Revisited: Model en spectraallijnen van helium. Peterson, C. 5, 2016, Journal of Young Investators, Vol. 30, blz. 32-35.
5. Journal of Chemical Education. JR Appling, FJ Yonke, RA Edgington en S. Jacobs. 3, 1993, deel 70, blz. 250-251.