Bekrachtigde elektronen moeten energie afgeven om terug te keren naar hun stabiele toestand. Wanneer deze afgifte plaatsvindt, vindt deze plaats in de vorm van licht. Daarom vertegenwoordigen atomaire emissiespectra de elektronen in een atoom die terugkeren naar lagere energieniveaus. Vanwege de aard van de kwantumfysica kunnen elektronen alleen specifieke, discrete energieën absorberen en uitzenden. Elk element heeft een karakteristieke rangschikking van elektronenorbitalen en energieën die bepalen welke kleur de emissielijnen zullen hebben.
De kwantumwereld
Terwijl veel van de dingen die we waarnemen worden gedicteerd door klassieke, continue mechanica, wordt de atomaire wereld gedicteerd door discontinuïteit en waarschijnlijkheid. De elektronen in een atoom bestaan op discrete energieniveaus zonder middenweg. Als een elektron wordt geëxciteerd naar een nieuw energieniveau, springt het onmiddellijk naar dat niveau. Wanneer elektronen terugkeren naar lagere energieniveaus, geven ze energie af in gekwantiseerde pakketten. Je kunt dit contrasteren met een vuur dat langzaam uitdooft. Een brandend vuur straalt continu energie uit als het afkoelt en uiteindelijk uitbrandt. Een elektron daarentegen straalt al zijn energie onmiddellijk uit en springt naar een lager energieniveau zonder door een overgangstoestand te gaan.
Wat bepaalt de kleur van lijnen in een emissiespectrum?
Energie uit licht bestaat in pakketjes die fotonen worden genoemd. Fotonen hebben verschillende energieën die overeenkomen met verschillende golflengten. Daarom weerspiegelt de kleur van emissielijnen de hoeveelheid energie die vrijkomt door een elektron. Deze energie verandert afhankelijk van de orbitale structuur van het atoom en de energieniveaus van zijn elektronen. Hogere energieën komen overeen met golflengten naar het kortere, blauwe uiteinde van het zichtbare lichtspectrum.
Emissie- en absorptielijnen
Wanneer licht door atomen gaat, kunnen die atomen een deel van de energie van het licht absorberen. Een absorptiespectrum laat ons zien welke golflengte van licht door een bepaald gas werd geabsorbeerd. Een absorptiespectrum ziet eruit als een continu spectrum, of regenboog, met enkele zwarte lijnen. Deze zwarte lijnen vertegenwoordigen fotonenergieën die worden geabsorbeerd door elektronen in het gas. Wanneer we het emissiespectrum voor het overeenkomstige gas bekijken, wordt het omgekeerde weergegeven; het emissiespectrum zal overal zwart zijn, behalve de fotonenergieën die het eerder heeft geabsorbeerd.
Wat bepaalt het aantal regels?
Emissiespectra kunnen een groot aantal lijnen hebben. Het aantal lijnen is niet gelijk aan het aantal elektronen in een atoom. Waterstof heeft bijvoorbeeld één elektron, maar het emissiespectrum vertoont veel lijnen. In plaats daarvan vertegenwoordigt elke emissielijn een andere energiesprong die een elektron van een atoom zou kunnen maken. Wanneer we een gas blootstellen aan fotonen van alle golflengten, kan elk elektron in het gas een foton absorberen met precies de juiste energie om het naar het volgende mogelijke energieniveau te exciteren. Daarom vertegenwoordigen de fotonen van een emissiespectrum een verscheidenheid aan mogelijke energieniveaus.