Az energiával ellátott elektronoknak energiát kell leadniuk ahhoz, hogy visszatérjenek stabil állapotukba. Amikor ez a felszabadulás megtörténik, fény formájában történik. Ennélfogva az atomemissziós spektrumok az alacsonyabb energiaszintre visszatérő atom elektronjait ábrázolják. A kvantumfizika természete miatt az elektronok csak meghatározott, diszkrét energiákat képesek elnyelni és kibocsájtani. Minden elem rendelkezik az elektronpályák és energiák jellegzetes elrendezésével, amely meghatározza, hogy az emissziós vonalak milyen színűek lesznek.
A kvantumvilág
Míg sok mindent, amit észlelünk, a klasszikus, folyamatos mechanika szabja meg, az atomvilágot a folytonosság és a valószínűség szabja meg. Az atomok elektronjai diszkrét energiaszinteken léteznek, középút nélkül. Ha egy elektron új energiaszintre gerjesztődik, akkor azonnal felugrik erre a szintre. Amikor az elektronok alacsonyabb energiaszintre térnek vissza, kvantált csomagokban szabadítják fel az energiát. Ezt szembeállíthatod egy lassan kiégő tűzzel. Az égő tűz folyamatosan energiát bocsát ki, miközben hűl és végül kiég. Az elektron viszont teljes energiáját azonnal kibocsátja, és átmeneti állapoton való áthaladás nélkül egy alacsonyabb energiaszintre ugrik.
Mi határozza meg a vonalak színét egy kibocsátási spektrumban?
A fényből származó energia létezik a fotonoknak nevezett csomagokban. A fotonok energiája különböző, amelyek különböző hullámhosszaknak felelnek meg. Ezért az emissziós vonalak színe tükrözi az elektron által felszabadított energia mennyiségét. Ez az energia az atom keringési szerkezetétől és elektronjainak energiaszintjétől függően változik. A magasabb energiák megfelelnek a látható fényspektrum rövidebb, kék vége felé vezető hullámhosszaknak.
Kibocsátási és felszívási vonalak
Amikor a fény áthalad az atomokon, ezek az atomok képesek elnyelni a fény energiájának egy részét. Az abszorpciós spektrum megmutatja, hogy a fénytől származó hullámhosszat elnyelte-e egy adott gáz. Az abszorpciós spektrum folytonos spektrumnak vagy szivárványnak tűnik, néhány fekete vonallal. Ezek a fekete vonalak a gázban lévő elektronok által elnyelt fotonenergiákat képviselik. Ha megnézzük a megfelelő gáz emissziós spektrumát, akkor az inverz jelenik meg; az emissziós spektrum mindenhol fekete lesz, kivéve a korábban elnyelt fotonenergiákat.
Mi határozza meg a vonalak számát?
Az emissziós spektrumoknak sok vonala lehet. A vonalak száma nem egyenlő az atomok elektronjainak számával. Például a hidrogénnek van egy elektronja, de emissziós spektruma sok vonalat mutat. Ehelyett minden emissziós vonal különböző energiaugrást jelent, amelyet egy atom elektronja képes végrehajtani. Amikor egy gázt minden hullámhosszú fotonnak tesszük ki, a gázban lévő minden elektron pontosan olyan energiával képes elnyelni egy fotont, hogy a következő lehetséges energiaszintre gerjesse. Ennélfogva az emissziós spektrum fotonjai sokféle lehetséges energiaszintet képviselnek.