発光スペクトルは、 2つのエネルギー状態間の遷移を行うときの原子や分子によって放出される光の波長のスペクトルです。プリズムに当たる白色光または可視光は、各色に特定の波長を持つさまざまな色に分解されます。得られる色のパターンは、発光スペクトルと呼ばれる光の可視放射スペクトルです。
原子、分子、および物質は、2つのエネルギー状態の間を遷移するために外部から適切な量のエネルギーを吸収すると、光の放出による発光スペクトルも持ちます。この光をプリズムに通すことにより、各要素に固有の異なる波長を持つスペクトル色付きの線に分解されます。
発光スペクトルの重要性は、発光分光法を使用してスペクトル線を分析することにより、未知の物質や天体の組成を決定できることです。
次に、発光スペクトルの構成とその解釈、いくつかの例、および発光スペクトルと吸収スペクトルの違いについて説明します。
発光スペクトルとは何ですか？
元素または物質の原子には、電磁引力によって一緒に保持される電子と陽子があります。ボーア模型によれば、電子は原子のエネルギーが可能な限り低くなるように配置されています。このエネルギーエネルギーレベルは、原子の基底状態と呼ばれます。
原子が外部からエネルギーを取得すると、電子はより高いエネルギーレベルに向かって移動し、原子は基底状態を励起状態に変更します。
励起状態では、電子の滞留時間は非常に短く（≈10-8秒）（1）、原子は不安定で、基底状態に戻り、中間エネルギーレベルを通過します（そうである場合）。
図1. a）励起エネルギーレベルと基本エネルギーレベルの間の原子の遷移による光子の放出。b）中間エネルギーレベル間の原子の遷移による光子の放出。
励起状態から基底状態への遷移の過程で、原子は2つの状態間のエネルギーの差に等しいエネルギーで光の光子を放出し、周波数に直接比例し、その波長λに反比例します。
放出された光子は、スペクトル線（2）と呼ばれる明るい線として表示されます。原子の遷移における放出された光子のコレクションのスペクトルエネルギー分布は、放出スペクトルです。
発光スペクトルの解釈
原子の遷移の一部は、温度の上昇や、光線、電子の流れ、化学反応などの他の外部エネルギー源の存在によって引き起こされます。
水素などのガスをチャンバー内に低圧で入れ、チャンバー内に電流を流すと、他のガスとは異なる色で発光します。
放出された光を、虹の光を取得する代わりにプリズムを通過させることにより、個別の単位が、個別の量のエネルギーを運ぶ特定の波長を備えた色付きの線の形で取得されます。
発光スペクトルの線は各要素に固有であり、分光技術からのその使用により、放出された光子の波長を分析することにより、未知の物質の元素組成および天体の組成を決定することができます。原子の遷移中。
発光スペクトルと吸収スペクトルの違い。
吸収と放出のプロセスでは、原子には2つのエネルギー状態間の遷移がありますが、外部からエネルギーを得て励起状態に達するのは吸収状態です。
発光のスペクトル線は、白色光の連続スペクトルと反対です。最初に、スペクトル分布は明るい線の形で観察され、2番目では連続した色のバンドが観察されます。
白色光のビームが、低圧のチャンバーに封入された水素などのガスに当たると、光の一部だけがガスに吸収され、残りは透過します。
透過光がプリズムを通過すると、スペクトル線に分解され、それぞれが異なる波長を持ち、ガスの吸収スペクトルを形成します。
吸収スペクトルは放出スペクトルと完全に逆であり、それはまた各要素に固有です。同じ要素の両方のスペクトルを比較すると、発光スペクトル線が吸収スペクトルに欠けているものであることがわかります（図2）。
図2. a）発光スペクトルおよびb）吸収スペクトル（作成者：Stkl。出典：https://commons.wikimedia.org/wiki/Main_Page）
化学元素の発光スペクトルの例
a）スペクトルの可視領域における水素原子のスペクトル線は、656.3 nmの赤線、486.1 nmの水色、434 nmの濃い青、410 nmの非常にかすかな紫です。これらの波長は、最新バージョンのBalmer-Rydberg方程式から取得されます（3）。
スペクトル線の波数です
リュードベリの定数（109666.56 cm-1）
最高のエネルギーレベルです
最高のエネルギーレベルです
図3.水素の発光スペクトル（作成者：Adrignola。出典：commons.wikimedia.org
b）ヘリウムの発光スペクトルには、主に2つの系列があります。ピーターソン（4）は、ボーアモデルを使用して、2つの電子がn = 5状態に数回同時に遷移した結果として、スペクトルの可視部分の一連のヘリウム輝線を計算し、波長の値を取得しました実験結果と一致しています。得られた波長は、468.8nm、450.1nm、426.3nm、418.4nm、412.2nm、371.9nmです。
c）ナトリウムの発光スペクトルには、D線と呼ばれる589 nmと589.6 nmの2つの非常に明るい線があります（5）。他の線はこれらよりもはるかに弱く、実用上、すべてのナトリウム光はD線に由来すると見なされます。
参考文献
- 水素原子の励起状態の寿命の測定。VA Ankudinov、SV Bobashev、およびEP Andreev。1965年、ソビエト物理学JETP、21巻、pp。26-32。
- Demtröder、W。レーザー分光法1.カイザースラウテルン：Springer、2014年。
- DKRai、SNタクルと。原子、レーザー、分光。ニューデリー：Phiラーニング、2010年。
- ボーア再考：ヘリウムのモデル線とスペクトル線。Peterson、C. 5、2016、Journal of young Investigators、Vol。30、pp。32-35。
- 化学教育のジャーナル。JR Appling、FJ Yonke、RA Edgington、S。Jacobs。3、1993、Vol。70、pp。250-251。