Spectre atomice de emisie şi absorbţie. Seriile spectrale ale hidrogenului.

În prima lecție de fizică atomică vom discuta despre spectre atomice și despre seriile spectrale ale atomului de hidrogen.

Să începem cu definițiile celor două tipuri de spectre și anume spectrele de emisie și spectrele de absorpție.

Spectrul de emisie al unei substanțe e totalitatea radiaților electromagnetice emise. Vom vedea imediat cum.

Și prin totalitatea radiaților înțelegem totalitatea valorilor, lungimilor de undă și intensităților acestor radiații.

Emisia acestor radiații are loc ca urmare a exitării atomilor, ce absorbe energie prin varii mecanisme.

Spre exemplu putem da energie substanței folosind câmpuri electromagnetice, o sursă termică, fascicule de particule, descărcări electrostatice și așa mai departe.

Această energie care este dată substanței va fi absorbită de către atomi care vor intra într-o stare așa numit excitată.

Vom vedea lecțiile viitoare ce înseamnă o stare excitată a atomilor.

Deocamdată înseamnă o stare în care e absorbită energie.

În urma absorției de energie acești atomi vor emite radiații electromagnetice, formând acest spectru de emisie.

Concret, dacă avem un tub, precum cel din acest desen, în care avem vapori de mercur, deci înăuntru tubului se află vapori de mercur la densitate mică

și la capătul tubului plasăm două electrozi conectați la o sursă de curent electric, deci ei devin încărcați,

atunci, bineînțeles, vom avea un câmp electric ce traversează vaporii de mercur.

Ei vor primi o cantitate de energie de la câmpul electric și vor emite radiații electromagnetice.

Dacă plasăm un ecran cu o fantă în apropierea tubului, putem selecta o anumită rază de lumină, deci o undă electromagnetică emisă de către acești vapori de mercur,

pe care o putem trece printr-o prisma optică.

Prisma optică va produce spectrul unde electromagnetice, va împărți undea electromagnetică în culorele componente din spectrul vizibil, bineînțeles.

Acest spectru de culori, și după cum știm, culoare însemnă o anumită frecvență sau lungime de undă, acest spectru de culori este spectrul de emisie al atomilor de mercur.

Spectrul de absorție al unei substanțe e totalitatea radiațiilor electromagnetice absorbite, bineînțeles, și nu emise.

El se obține plasând substanța între o sursă și un aparat spectral.

Foarte simplu, deci dacă avem o sursă de lumină albă, vă aduc aminte că lumina albă este lumina care este compusă din toate culorile sau lungimile de undă din spectrul vizibil,

pe care, după cum am spus, o putem analiza trecându-o printr-o prismă optică și vom obține acest spectru de culori al luminii albe.

Dacă în calea acestei raze de lumină, acestei undi electromagnetici, plasăm tubul cu atom de mercur,

deci avem același tub cu atom de mercur, dar nu mai avem sursa de curent electric,

deci atomii de mercur nu își mai iau energia de la sursa de curent electric,

dar ei pot lua energie de la unda electromagnetică ce traversează tubul.

În consecință, raza de lumină sau unda electromagnetică ce iese din tubul cu atom de mercur nu va mai fi albă,

ci va fi albă minus lungimile de undă absorbite de către atomii de mercur.

În concluzie, astfel obținem spectrul de absorți, care va fi spectrul incident, alb în cazul acesta,

minus radiațiile absorbite de către atomii de mercur.

Ele vor lipsi din spectrul obținut în prism.

Aparatele spectrale sunt de următoarele tipuri.

Aparatele spectrale sunt aparate ce permit vizualizarea sau observarea și analiza spectrelor atomici.

Se numesc spectroscope, aparatele spectrale ce permit o observare vizuală a acestor spectrii.

Spre exemplu, prisma optică este un spectroscop.

Se numesc spectrografe, aparatele spectrale ce permit înregistrarea pe un film fotografic a acestor spectrii.

Și spectrometrele, care sunt cele mai avansate dacă vreți aparate spectrale,

sunt cele care înregistrează cu mijloace electronice aceste spectrii.

De obicei, spectrometrele sunt cuplate la calculatoare și permit o analiză experimentală detaliată a proprietăților spectrilor.

Haideți să discutăm acum despre proprietățile spectrilor atomici.

Cea mai importantă proprietate este că fiecare element, adică fiecare atom sau fiecare moleculă,

produce un spectru de radiații caracteristic lui, mai exact caracteristic structurilui.

Poziția și valoarea acestor lungimi de undă emise și intensitatea lor este tipică caracteristică atomului sau moleculei care a emis-o sau absorbit-o.

În consecință, se poate identifica orice element chimic după spectrul său de emisie sau absorție.

Avem următoarele tipuri de spectre.

Spectre de linii sunt spectre de emisie ale gazelor atomice.

Spre exemplu, sodiul în forma lui atomică de gaz atomic are două linii în spectrul vizibil.

Lungimile de undă sunt acestea două.

Hidrogenul are în domeniul vizibil cinci linii.

Neonul are douăzeci de linii și așa mai departe.

Asta înseamnă pur și simplu că dacă ne uităm la spectrul de emisie al hidrogenului atomic,

vom vedea ceva de genul acesta.

Deci acesta este spectrul atomic vizibil al hidrogenului.

Deci vizibil înseamnă în domeniul lungimilor de undă a radiaților vizibile.

Vom vedea cinci linii corespunzând la cinci lungimi de undă.

Acest spectru va fi caracteristic hidrogenului atomic.

Dacă vedem aceste cinci linii în aceste poziții, înseamnă că substanța analizată conține hidrogen.

Spectrele de bandă sunt spectrele de emisie ale gazelor moleculare.

Mai exact, ale moleculei de hidrogen.

Pentru molecula de hidrogen vom obține aceleași cinci lungimi de undă,

dar în loc de o linie vom obține bandzi.

Interacția din interiorul unei molecule duce la lărgirea liniilor din spectrele de emisie

și, în felul acesta, obținem în loc de linii bandzi.

Și, în fine, avem așa numitele spectre continui,

care sunt spectrele de emisie ale solidelor și lichidelor incandescente.

Un spectru continuu vizibil, bineînțeles, arată în felul acesta,

după cum am discutat și în lecțiile de optică ondulator.

Spectrul de absorție este spectrul continuu din care lipsesc liniile,

sau benzile, caracteristice substanțe absorbante.

Deci, dacă în calea unei raze, după cum am discutat,

în calea unei raze, sau undi electromagnetici albe,

care are acest spectru continuu vizibil,

punem un tub cu hidrogen atomic,

el va absorbi aceste cinci lungimi de undă.

În loc să le emită, le va absorbi.

Și, deci, în raza emergentă din tub, care iese din tub,

vom obține acest spectru vizibil,

din care vor lipsi aceste cinci radiații.

Deci, din acest spectru vizibil,

vom avea benzi, linii sau benzi întunecate în aceste cinci poziții.

Acela este spectrul de absorție al hidrogenului atomic.

Haideți să discutăm despre pozițiile acestor linii sau benzi,

mai exact despre seriile spectrale.

Experimental s-a stabilit legea

care generează pozițiile acestor lungimi de undă.

Deci, liniile spectrale ale atomului de hidrogen

formează așa numite serii spectrale,

care corespund diferitelor domenii de lungimi de undă,

și ele sunt descrise de această ecuație,

din nou, dedusă experimental.

Deci, 1 pe lambda, lungimea de undă a linii sau a benzii,

este egală cu această ecuație,

unde N1 este numărul seriei spectrale.

Vom vedea imediat ce înseamnă concret această serie spectrală.

N2 este numărul liniei din seria respectivă.

Deci, numărul liniei din spectru.

Și bineînțeles că N2 trebuie să fie mai mare ca N1,

pentru că 1 pe lambda trebuie să fie pozitiv definit.

Iar R este o constantă, numită constanta Rydberg,

și are această valoare.

Deci, după cum am spus, seria spectrală

corespunde unui domeniu de lungimi de undă.

Deci, pentru fiecare domeniu de lungimi de undă,

ultraviolet, vizibil, infraroșu și așa mai departe,

avem câte o serie spectrală.

Și în interiorul ei, pentru hidrogen în cazul acesta,

vom avea linii de emisie sau absorție.

Și ele vor fi guvernate de această regulă.

În particular, în ultraviolet, seria se numește seria Liman,

N1 va avea valoarea 1

și N2, bineînțeles, va avea aceste valori.

N2 trebuie să fie mai mare decât N1.

În vizibil, seria se numește Balmer.

Deci, seria corespunde unui domeniu

al radiațiilor electromagnetici.

Pentru vizibil, N1 ia valoarea 2

și N2, bineînțeles, aceste valori.

În infraroșu avem mai multe serii.

Deci, în infraroșu apropiat, adică infraroșul apropiat de vizibil,

avem seria Paschen, care are N1 egal cu 3.

Seria Brachet, care este într-un domeniu

de radiații infraroșii mai depărtate de vizibil.

N1 va fi 4.

Seria Funt, care are N1 egal cu 5.

Și așa mai departe.

Din nou, acestea sunt toate constatării experimentale.

În particular, în vizibil, seria Balmer

va avea următoare linii spectrale ale hidrogenului.

Pur și simplu, înlocuim N1 egal cu 2

și N2 cu un N.

Și deci rezultă că λN, deci valorile discrete

ale lungimilor de undă, ale liniilor hidrogenului în vizibil,

sunt date de această ecuație.

Unde N este un număr întreg,

mai mare sau egal cu 3, și R este această constantă.

Liniile spectrale ale atomilor hidrogenoizi

se obțin, voi explica imediat ce înseamnă atom hidrogenoizi,

se obțin cu această înlocuire simplă.

Deci, dacă înlocuim R cu z²R,

obținem lungimile de undă ale atomilor hidrogenoizi.

Atom hidrogenoid este atomul oricărui,

sau, dacă vreți, ionul mai corect spus,

ionul oricărui atom din tabelul lui Mendeleev,

din care se scot toți electronii, mai puțin unul.

Deci, atomii hidrogenoizi au un singur electron,

precum atomul de hidrogen, de aceea se numesc hidrogenoizi.

Totuși, bineînțeles, nucleul acestui atom va avea

o sarcină electrică mai mare decât unul,

în funcție de elementul din care este obținut acel atom hidrogenoid.

În final, să discutăm despre analiza spectrală.

Analiza spectrală a unei substanțe

înseamnă analiza spectrului de emisie sau absorție

în sensul următor.

Identificarea elementelor chimice din substanță

din poziția liniilor sau benzilor de emisie sau absorție

și măsurarea concentrațiilor elementelor din acea substanță

din intensitățile acestor linii sau benzi.

Deci, concret, ce se face?

Se realizează un grafic.

Se măsoară acest grafic al intensității radiațiilor emisie

ca funcție de lungimea de undă sau, dacă vreți echivalent, frecvență.

Și se obțin așa numite picuri.

Deci, acest grafic arată ceva de genul acesta, foarte generic vorbind.

Deci, o serie de picuri, de maxime.

Și ce se face? Întâi se extrage poziția acestor maxime.

Deci vom avea λ1, λ2, λ3, λ4, λ5.

Și, spre exemplu, dacă aceste cinci valori ale lui λ

ale lungimii de undă corespund celor pentru hidrogen,

știm că în substanța noastră se află hidrogen.

Iar apoi, în pasul al doilea,

se măsoară aria acestor maxime

și, după anumite corecții experimentale,

acestă arie se leagă, se relaționează direct cu concentrația,

să zicem, hidrogenului în acest caz, din acea substanță.

Deci, prin analiza acestui spectru de radiații emise,

se poate stabili compoziția substanței,

ce elemente se află și în ce cantități, în ce concentrații.

Această metodă de analiză a compoziției unei substanțe

are foarte multe avantaje.

Ea are o sensibilitate foarte mare.

Substanțe de concentrații foarte mici, sub 1%,

pot fi foarte ușor identificate.

Și analiza spectrală are proprietatea de a fi simultană,

adică toate substanțele componente,

toate elementele componente ale substanței

sunt obținute în același timp și foarte rapid.

În consecință, ea se folosește în multe domenii,

în metalurgie, în biologie, în prospecțiuni geologice,

în industria chimică, în laboratoare de cercetare științifică,

deci are foarte multe aplicații.

În această imagine vedeți un astfel de dispozitiv experimental,

deci un spectrometru conectat la un calculator

care obține un astfel de spectru de emisie

al probei introduse în spectrometru

și apoi face analiza ei, poziția maximilor

și area acestor maxime,

de unde extrage toată informația

despre compoziția substanței respectiv.