Energiegeladene Elektronen müssen Energie abgeben, um in ihren stabilen Zustand zurückzukehren. Wenn diese Freisetzung geschieht, erfolgt sie in Form von Licht. Daher repräsentieren Atomemissionsspektren die Elektronen in einem Atom, die zu niedrigeren Energieniveaus zurückkehren. Aufgrund der Natur der Quantenphysik können Elektronen nur bestimmte, diskrete Energien absorbieren und emittieren. Jedes Element hat eine charakteristische Anordnung von Elektronenorbitalen und Energien, die die Farbe der Emissionslinien bestimmen.
Die Quantenwelt
Während viele der Dinge, die wir wahrnehmen, von der klassischen, kontinuierlichen Mechanik diktiert werden, wird die atomare Welt von Diskontinuität und Wahrscheinlichkeit bestimmt. Die Elektronen in einem Atom existieren auf diskreten Energieniveaus ohne Mittelweg. Wird ein Elektron auf ein neues Energieniveau angeregt, springt es sofort auf dieses Niveau. Wenn Elektronen zu niedrigeren Energieniveaus zurückkehren, setzen sie Energie in quantisierten Paketen frei. Sie können dies mit einem Feuer vergleichen, das langsam ausbrennt. Ein brennendes Feuer gibt beim Abkühlen kontinuierlich Energie ab und brennt schließlich aus. Ein Elektron hingegen emittiert augenblicklich seine gesamte Energie und springt auf ein niedrigeres Energieniveau, ohne einen Übergangszustand zu durchlaufen.
Was bestimmt die Farbe von Linien in einem Emissionsspektrum?
Energie aus Licht existiert in Paketen, die Photonen genannt werden. Photonen haben unterschiedliche Energien, die unterschiedlichen Wellenlängen entsprechen. Daher spiegelt die Farbe der Emissionslinien die von einem Elektron freigesetzte Energiemenge wider. Diese Energie ändert sich in Abhängigkeit von der Orbitalstruktur des Atoms und den Energieniveaus seiner Elektronen. Höhere Energien entsprechen Wellenlängen zum kürzeren, blauen Ende des sichtbaren Lichtspektrums.
Emissions- und Absorptionsleitungen
Wenn Licht durch Atome geht, können diese Atome einen Teil der Lichtenergie absorbieren. Ein Absorptionsspektrum zeigt uns, welche Wellenlänge des Lichts von einem bestimmten Gas absorbiert wurde. Ein Absorptionsspektrum sieht aus wie ein kontinuierliches Spektrum oder Regenbogen mit einigen schwarzen Linien. Diese schwarzen Linien stellen Photonenenergien dar, die von Elektronen im Gas absorbiert werden. Wenn wir das Emissionsspektrum für das entsprechende Gas betrachten, wird es umgekehrt angezeigt; das Emissionsspektrum wird überall schwarz sein, mit Ausnahme der Photonenenergien, die es zuvor absorbiert hat.
Was bestimmt die Zeilenanzahl?
Emissionsspektren können eine große Anzahl von Linien aufweisen. Die Anzahl der Linien entspricht nicht der Anzahl der Elektronen in einem Atom. Wasserstoff hat beispielsweise ein Elektron, aber sein Emissionsspektrum zeigt viele Linien. Stattdessen stellt jede Emissionslinie einen anderen Energiesprung dar, den ein Elektron eines Atoms machen könnte. Wenn wir ein Gas Photonen aller Wellenlängen aussetzen, kann jedes Elektron im Gas ein Photon mit genau der richtigen Energie absorbieren, um es in das nächstmögliche Energieniveau anzuregen. Daher repräsentieren die Photonen eines Emissionsspektrums eine Vielzahl möglicher Energieniveaus.