Espectro de línea

Espectro alfa de los isótopos de plutonio ²⁴² Pu, ²³⁹ Pu / ²⁴⁰ Pu y ²³⁸ Pu

Un espectro de líneas es un espectro físico que muestra puntos separados ( discretos ) de mayor intensidad, las llamadas líneas espectrales . En determinadas circunstancias, estos puntos pueden aparecer al lado o superpuestos con componentes continuos .

Los espectros de luz pueden mostrar líneas de absorción o emisión . Además, la partícula puede tener un espectro de líneas; las partículas tienen entonces energías cinéticas discretas , como es el caso de la radiación alfa .

Espectro de una lámpara de vapor de mercurio de baja presión. Imagen superior con sensor de línea de 256 píxeles . Plano inferior con cámara

Origen de las líneas en espectros de luz y rayos X

Cada material y cada átomo o molécula tiene niveles de energía característicos y discretos en los que los electrones pueden "permanecer". La transición de uno a otro nivel de energía se produce a través de la absorción (transición del estado inferior al superior) o la emisión (transición del estado superior al inferior) de un fotón con la energía

${\ Displaystyle E = h \ cdot \ nu}$

(con la frecuencia de  la radiación y el cuanto de acción de Planck ). La diferencia de energía entre los niveles de energía corresponde exactamente a la energía del fotón, y la energía de un fotón junto con la velocidad de la luz determina su longitud de onda. ${\ Displaystyle \ nu}$ ${\ Displaystyle h}$${\ Displaystyle c}$

${\ Displaystyle \ lambda = {\ frac {c} {\ nu}}}$.

De todos los posibles estados de energía de un material, solo unos pocos pares de estados de energía son generalmente absorbentes o emisores preferidos.

Si un material se encuentra entre una fuente de radiación con un espectro continuo y un espectrómetro (por ejemplo, para medir el espectro), absorbe fotones de esas energías que vienen dadas por los estados energéticos del material. Los fotones absorbidos faltan entonces en el espectro observado de la fuente; esto hace que aparezcan líneas de absorción oscuras.

Un átomo o molécula excitado regresa a un estado de menor energía después de un corto período de tiempo. Se emite un fotón, cuya energía corresponde a la diferencia de energía entre el estado de mayor y menor energía. Si este material se observa de lado, es decir, sin que la fuente de radiación sea visible, estos fotones de cierta energía (y por tanto de longitud de onda) aparecen como líneas de emisión en el espectro.

Obtener información de los espectros de líneas

Los espectros de línea de los átomos fueron una fuente importante de información para el descubrimiento de la mecánica cuántica . El espectro particularmente simple del átomo de hidrógeno dio lugar al modelo atómico de Bohr . Más tarde, investigaciones más detalladas de los espectros de hidrógeno dejaron en claro que este modelo atómico no describe adecuadamente la realidad y que las teorías de Werner Heisenberg y Wolfgang Pauli proporcionan una descripción más precisa.

En astronomía , los espectros de líneas son una fuente de información sobre el universo. Los espectros de línea son característicos del respectivo átomo o molécula, por lo que los elementos que se encuentran en el espacio se pueden determinar a partir de la luz. De esta manera, por ejemplo, el helio se encontró por primera vez en el sol antes de que también pudiera detectarse en la tierra.

Los espectros de líneas tienen una aplicación adicional en astronomía: dado que se conocen las energías exactas de los espectros de los elementos y los elementos se pueden identificar utilizando el patrón de las líneas, el corrimiento al rojo de su luz se puede determinar a partir del espectro de líneas de una estrella . Para objetos más cercanos, esto permite determinar la velocidad del objeto en la dirección de la línea de visión utilizando el efecto Doppler . Este hecho se utiliza en la búsqueda de exoplanetas como método de velocidad radial. Para los objetos que están más lejos, el corrimiento al rojo basado en la ley de Hubble da la distancia del objeto a la tierra.

Los espectros de línea de la radiación gamma permiten la detección de pequeñas cantidades de un radionúclido en muchos casos .

Espectro de líneas en acústica e ingeniería eléctrica

Un espectro de línea acústica contiene una o más frecuencias discretas (DIN 13320). Los procesos de sonido periódicos generan un espectro de líneas, los procesos de sonido aperiódicos o estocásticos un espectro continuo (espectro de bandas). Un ejemplo típico de espectro de líneas es el espectro de sonido o una señal periódica (voltaje o corriente).

Con el espectro de líneas, cada frecuencia parcial de la señal está simbolizada por una línea espectral discreta. La frecuencia está representada por la posición en la abscisa (eje de frecuencia); la longitud de dicha línea representa la amplitud de la oscilación (espectro de amplitud) o la fuerza de un proceso de sonido (espectro de nivel) La escala de frecuencia generalmente se divide logarítmicamente. Cada línea espectral (frecuencia constante, amplitud constante) representa una oscilación armónica ideal (es decir, sinusoidal) (es decir, por ejemplo, voltaje). El espectro de fase asociado representa la información de fase (ángulo de fase cero), p. Ej. B. las amplitudes de un voltaje o una corriente La amplitud y el espectro de fase juntos describen una señal equivalente a su representación en el dominio del tiempo.

literatura

• Dieter Meschede: Física Gerthsen. 23a edición, Springer-Verlag, Berlín Heidelberg Nueva York 2006, ISBN 978-3-540-25421-8 .
• Thomas Görne: Ingeniería de sonido. Primera edición, Carl Hanser Verlag, Leipzig 2006, ISBN 3-446-40198-9 .