WAS IST DAS EMISSIONSSPEKTRUM? (MIT BEISPIELEN) - KÖRPERLICH - 2025

Das Emissionsspektrum ist das Spektrum der Wellenlängen des Lichts, das von Atomen und Molekülen beim Übergang zwischen zwei Energiezuständen emittiert wird. Das weiße Licht oder sichtbare Licht, das auf ein Prisma trifft, zerfällt in verschiedene Farben mit spezifischen Wellenlängen für jede Farbe. Das erhaltene Farbmuster ist das sichtbare Strahlungsspektrum des Lichts, das als Emissionsspektrum bezeichnet wird.

Atome, Moleküle und Substanzen haben aufgrund der Lichtemission auch ein Emissionsspektrum, wenn sie die richtige Energiemenge von außen absorbieren, um zwischen zwei Energiezuständen zu wechseln. Indem dieses Licht durch ein Prisma geleitet wird, zerfällt es in spektrale farbige Linien mit unterschiedlichen Wellenlängen, die für jedes Element spezifisch sind.

Die Bedeutung des Emissionsspektrums besteht darin, dass es die Bestimmung der Zusammensetzung unbekannter Substanzen und astronomischer Objekte durch Analyse ihrer Spektrallinien unter Verwendung von Emissionsspektroskopietechniken ermöglicht.

Als nächstes wird erklärt, woraus das Emissionsspektrum besteht und wie es interpretiert wird, einige Beispiele werden erwähnt und die Unterschiede, die zwischen dem Emissionsspektrum und dem Absorptionsspektrum bestehen.

Was ist ein Emissionsspektrum?

Die Atome eines Elements oder einer Substanz haben Elektronen und Protonen, die durch die elektromagnetische Anziehungskraft zusammengehalten werden. Nach dem Bohr-Modell sind die Elektronen so angeordnet, dass die Energie des Atoms so gering wie möglich ist. Dieses Energieenergieniveau wird als Grundzustand des Atoms bezeichnet.

Wenn die Atome Energie von außen aufnehmen, bewegen sich die Elektronen in Richtung eines höheren Energieniveaus und das Atom ändert seinen Grundzustand in einen angeregten Zustand.

Im angeregten Zustand ist die Verweilzeit des Elektrons sehr gering (≈ 10-8 s) (1), das Atom ist instabil und kehrt in den Grundzustand zurück, wobei es gegebenenfalls durch mittlere Energieniveaus geht.

Figure 1. a) Emission eines Photons aufgrund des Übergangs des Atoms zwischen dem Anregungsenergieniveau und dem Grundenergieniveau. b) Emission von Photonen aufgrund des Übergangs des Atoms zwischen mittleren Energieniveaus.

Beim Übergang von einem angeregten Zustand in einen Grundzustand emittiert das Atom ein Lichtphoton mit einer Energie, die der Energiedifferenz zwischen den beiden Zuständen entspricht, direkt proportional zur Frequenz und umgekehrt proportional zu seiner Wellenlänge λ ist.

Das emittierte Photon ist als helle Linie dargestellt, die als Spektrallinie (2) bezeichnet wird, und die spektrale Energieverteilung der Sammlung emittierter Photonen an den Atomübergängen ist das Emissionsspektrum.

Interpretation des Emissionsspektrums

Einige Übergänge des Atoms werden durch einen Temperaturanstieg oder durch das Vorhandensein anderer externer Energiequellen wie eines Lichtstrahls, eines Elektronenstroms oder einer chemischen Reaktion verursacht.

Wenn ein Gas wie Wasserstoff unter niedrigem Druck in eine Kammer gegeben wird und ein elektrischer Strom durch die Kammer geleitet wird, emittiert das Gas Licht mit einer eigenen Farbe, die es von anderen Gasen unterscheidet.

Indem das emittierte Licht durch ein Prisma geleitet wird, anstatt einen Regenbogen aus Licht zu erhalten, werden diskrete Einheiten in Form von farbigen Linien mit bestimmten Wellenlängen erhalten, die diskrete Energiemengen tragen.

Die Linien des Emissionsspektrums sind in jedem Element einzigartig und ihre Verwendung aus der Spektroskopietechnik ermöglicht es, die Elementzusammensetzung einer unbekannten Substanz sowie die Zusammensetzung astronomischer Objekte durch Analyse der Wellenlängen der emittierten Photonen zu bestimmen. während des Übergangs des Atoms.

Unterschied zwischen Emissionsspektrum und Absorptionsspektrum.

Bei Absorptions- und Emissionsprozessen hat das Atom Übergänge zwischen zwei Energiezuständen, aber bei der Absorption gewinnt es Energie von außen und erreicht den Anregungszustand.

Die spektrale Emissionslinie ist dem kontinuierlichen Spektrum des weißen Lichts entgegengesetzt. Im ersten Fall wird die Spektralverteilung in Form heller Linien beobachtet, und im zweiten Fall wird ein kontinuierliches Farbband beobachtet.

Wenn ein weißer Lichtstrahl auf ein Gas wie Wasserstoff trifft, das in einer Kammer mit niedrigem Druck eingeschlossen ist, wird nur ein Teil des Lichts vom Gas absorbiert und der Rest wird übertragen.

Wenn durchgelassenes Licht durch ein Prisma fällt, zerfällt es in Spektrallinien mit jeweils unterschiedlicher Wellenlänge und bildet das Absorptionsspektrum des Gases.

Das Absorptionsspektrum ist dem Emissionsspektrum völlig entgegengesetzt und es ist auch für jedes Element spezifisch. Beim Vergleich beider Spektren desselben Elements wird festgestellt, dass die Emissionsspektrallinien im Absorptionsspektrum fehlen (Abbildung 2).

Abbildung 2. a) Emissionsspektrum und b) Absorptionsspektrum (Autor: Stkl. Quelle: https://commons.wikimedia.org/wiki/Main_Page)

Beispiele für Emissionsspektren chemischer Elemente

a) Die Spektrallinien des Wasserstoffatoms im sichtbaren Bereich des Spektrums sind eine rote Linie von 656,3 nm, ein Hellblau von 486,1 nm, ein Dunkelblau von 434 nm und ein sehr schwaches Violett von 410 nm. Diese Wellenlängen ergeben sich aus der Balmer-Rydberg-Gleichung in ihrer modernen Version (3).

ist die Wellenzahl der Spektrallinie

ist die Rydbergsche Konstante (109666,56 cm & supmin; ¹)

ist das höchste Energieniveau

ist das höchste Energieniveau

Abbildung 3. Emissionsspektrum von Wasserstoff (Autor: Adrignola. Quelle: commons.wikimedia.org

b) Das Emissionsspektrum von Helium besteht aus zwei Reihen von Hauptlinien, eine im sichtbaren Bereich und eine in der Nähe des Ultravioletts. Peterson (4) verwendete das Bohr-Modell, um eine Reihe von Heliumemissionslinien im sichtbaren Teil des Spektrums als Ergebnis mehrerer gleichzeitiger Übergänge zweier Elektronen in den n = 5-Zustand zu berechnen und Werte der Wellenlänge zu erhalten im Einklang mit experimentellen Ergebnissen. Die Wellenlängen, die erhalten wurden, sind 468,8 nm, 450,1 nm, 426,3 nm, 418,4 nm, 412,2 nm, 371,9 nm.

c) Das Emissionsspektrum von Natrium hat zwei sehr helle Linien von 589 nm und 589,6 nm, die als D-Linien bezeichnet werden (5). Die anderen Linien sind viel schwächer als diese und aus praktischen Gründen wird angenommen, dass das gesamte Natriumlicht von den D-Linien stammt.

Verweise

1. Messung der Lebensdauer angeregter Zustände des Wasserstoffatoms. VA Ankudinov, SV Bobashev und EP Andreev. 1, 1965, Soviet Physics JETP, Vol. 21, pp. 26-32.
2. Demtröder, W. Laserspektroskopie 1. Kaiserslautern: Springer, 2014.
3. DKRai, SN Thakur und. Atom-, Laser- und Spektroskopie. Neu-Delhi: Phi Learning, 2010.
4. Bohr Revisited: Modell und Spektrallinien von Helium. Peterson, C. 5, 2016, Journal of Young Investigators, Vol. 30, pp. 32-35.
5. Zeitschrift für chemische Bildung. JR Appling, FJ Yonke, RA Edgington und S. Jacobs. 3, 1993, Vol. 70, pp. 250-251.