Línea espectral

Como líneas espectrales o líneas de resonancia , líneas claramente separadas en un espectro de ondas electromagnéticas emitidas ( líneas de emisión ) o absorbidas ( líneas de absorción ) , en el sentido más estrecho dentro del rango de longitud de onda de la luz visible ( espectro de luz ). Las líneas espectrales se caracterizan por la longitud de onda , la intensidad de la línea y el ancho de la línea . La causa de las líneas espectrales son las transiciones electrónicas excitadas por la luz enÁtomos o moléculas .

El nombre de línea espectral se remonta históricamente al hecho de que existe una rendija de entrada en los espectrómetros convencionales , cuya forma se refleja en la pantalla o en el ojo del espectador. Más tarde, el nombre también se transfirió a los picos (es decir, máximos) en un espectro registrado como una curva de intensidad.

Espectro de una lámpara de vapor de cadmio de baja presión, imagen superior con un sensor de línea de 256 píxeles , imagen inferior con una cámara

Las líneas espectrales se producen en la espectroscopia atómica instrumental (como la espectroscopia de resonancia magnética nuclear ) o en la coloración de la llama . Se utilizan, entre otras cosas, en astronomía para analizar la estructura molecular de estrellas , planetas y materia interestelar , que de otro modo sería imposible. Se encontraban en la refracción de la luz del sol a través de un prisma descubierto en el siglo XIX, a partir del cual luego se desarrollaron espectroscopios que permiten emerger un amplio campo de aplicaciones para el análisis espectral .

Lo esencial

Espectro de luz continua sin líneas espectrales

Una línea espectral es la luz de una frecuencia definida con precisión que es emitida (emitida) o absorbida (absorbida) por un átomo o molécula debido a una transición de un nivel de energía a otro. La frecuencia está determinada por la energía del fotón emitido o absorbido ; esto es igual a la diferencia entre las energías de los dos estados de la mecánica cuántica . La frecuencia es característica de esta transición particular en el tipo de átomo dado. Por lo tanto, se pueden distinguir tipos de átomos observando líneas espectrales.

Línea de emisión

Líneas de emisión

Una línea de emisión aparece como una línea clara en el espectro. Surge durante la transición de una más alta a una más baja nivel de energía , por ejemplo cuando un electrón pasa de un estado excitado a la tierra estado. Aquí se emite un fotón. Esto puede ocurrir de forma espontánea ( emisión espontánea ) o, por ejemplo. B. con láser , son excitados por luz de una frecuencia adecuada ( emisión estimulada ).

Línea de absorción

Líneas de absorción
Absorción de resonancia de gas H 2 O a 1519 nm

Cuando se irradia luz con un espectro continuo (es decir, una mezcla de frecuencias), la absorción por resonancia de fotones de una frecuencia adecuada da como resultado una línea de absorción en la que se induce una transición de un nivel de energía más bajo a uno más alto, por ejemplo, cuando pasa un electrón a través del fotón desde la banda de valencia hacia la banda de conducción se "eleva" (ver efecto fotoeléctrico ).

Al volver al nivel de energía más bajo, los fotones se vuelven isotrópicos , i. H. en cualquier dirección, emitida.

Ambos conducen a que la luz sea dispersada de manera difusa por el material que se irradia a esta frecuencia . Siempre que haya suficientes átomos absorbentes, se produce

  • una línea oscura en el espectro continuo de luz que la atraviesa ( línea de Fraunhofer ); esto es generalmente lo que se entiende por el término línea de absorción
  • una línea clara sobre un fondo oscuro al analizar la luz dispersa que sale por el lado del gas; este tipo de línea de luz no se llama línea de emisión debido a la terminología histórica ; Las líneas solo se denominan como tales si la excitación no se realizó con luz de la misma frecuencia .

Perfiles de emisión

La luz de una línea espectral no contiene una sola frecuencia claramente definida, sino que comprende un rango de frecuencia (estrecho). La mitad del ancho de esta área se llama ancho de línea . El ancho de línea de una línea de emisión se compone de varias contribuciones:

Perfil de Lorentz
La línea natural anchura resultados de la vida útil de la estado inicial a través de la principio de incertidumbre de Heisenberg . Tiene la forma de una curva de Lorentz . No es posible reducir esto.
Perfil gaussiano
El movimiento térmico de los átomos crea un efecto Doppler que cambia la luz de un átomo o molécula individual a rojo o azul, según la dirección del movimiento. El movimiento estadístico da como resultado una distribución de frecuencia más amplia en general. Este efecto se llama ensanchamiento Doppler . Tiene la forma de una curva gaussiana y depende de la temperatura . Por lo general, el ancho Doppler domina claramente sobre el ancho de la línea natural. El mecanismo también se conoce con el término ensanchamiento de línea no homogéneo .
Perfil de Voigt
Durante una medición, una curva de Lorentz de ancho finito parece haber cambiado de su forma conocida si la función del aparato de la disposición de medición tiene un ancho medio en el orden de magnitud de la curva de Lorentz bajo consideración. La forma de la línea se puede describir mediante la convolución de la curva de Lorentz y la función del aparato. Si la función del aparato es una curva gaussiana, el resultado de la convolución se denomina perfil de Voigt .

historia

Las líneas de absorción fueron descubiertas por primera vez en 1802 por William Hyde Wollaston y en 1814, independientemente de él, por Joseph von Fraunhofer en el espectro del sol . Estas líneas oscuras del espectro solar también se denominan líneas de Fraunhofer .

Las líneas espectrales, entre otros efectos, contribuyeron al desarrollo de la mecánica cuántica . Según la electrodinámica clásica , un electrón unido a un átomo podría emitir ondas electromagnéticas de cualquier frecuencia; la existencia de líneas discretas no podría explicarse de forma clásica. El descubrimiento de que las frecuencias de las líneas espectrales del átomo de hidrógeno son proporcionales a una expresión de la forma con números enteros y condujo al concepto del número cuántico y finalmente llevó a Niels Bohr a su modelo de Bohr del átomo , el primero - ahora obsoleto - modelo atómico mecánico cuántico. La mecánica cuántica moderna puede predecir las líneas espectrales de los átomos con un grado muy alto de precisión.

literatura

enlaces web

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