什么是暗线光谱(光谱学和光谱测定法)

简介: 光谱学是研究能量和物质之间相互作用作为波长的函数。不同的化学元素有其不同的发射线特征,故而可以通过分析光谱线来推断未知物体的化学成分。光子的能量与其波长相关,因此可用光谱学来鉴别任何化学元素或化合物。

光谱学是研究能量和物质之间相互作用作为波长的函数。不同的化学元素有其不同的发射线特征,故而可以通过分析光谱线来推断未知物体的化学成分。光子的能量与其波长相关,因此可用光谱学来鉴别任何化学元素或化合物。

在我们认识光谱学是什么之前我们先来看一看什么是光。光属于电磁波(EM)的一种。
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电磁图谱

这篇文章我们只需要集中于可见光。
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光透过三棱镜的动画演示

早在公元40世纪,塞纳卡便发现了光透过棱镜的色散现象。不过知道1666年牛顿提出后光由不同颜色组成的概念才变得广为流传。1802年,英国化学家威廉·海德·沃拉斯顿从一个玻璃棱镜观察到了光谱中的暗线(吸收线)。后来,在1814年,德国物理学家约瑟夫·冯·夫琅和费独立地重新发现了这些谱线,并开始系统的研究这些波长的特征。他总共绘制了570多条线,从A排到K,更弱一些的线用其他字母表示。
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可见光谱中的氢吸收线

如果你观察透过三棱镜观察太阳光谱,你也许能观察到上图。这些被称为夫琅和费线或者吸收线。

1859年,古斯塔夫·罗伯特·基尔霍夫和罗伯特·本生通过观察元素燃烧时所形成的光谱指出,每种化学元素的放射线都有独特的“特征”,并推断太阳光谱中的暗线是由太阳上层元素的吸收造成的。还有一些事被地球大气中的氧分子吸收。比如用分光仪观察被燃烧的氢气,我们能观察到一组不同的放射线。
什么是暗线光谱(光谱学和光谱测定法)插图3
氢的放射线

比较一下这两个图,我们不难看出这两种线是相匹配的。在做实验的时候,基尔霍夫和本生观察太阳通过高温气体(来自本生灯)时的光谱并比较不同元素时发出的光谱。本生灯正是在这个过程中发明的。
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基尔霍夫-本生实验

总的来说,在太阳光谱中有超过1000条可观测到的夫琅和费谱线,因为每种元素都有自己的特征,我们可以通过分析谱线来推断太阳或任何未知物体的化学成分。

那么是什么造成了这种现象呢?
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电子能级

原子由质子、中子和电子组成。质子带正电荷,电子带负电荷,中子不带电荷(电中性)。丹麦物理学家尼尔斯·玻尔设计了一个有助于解释吸收线和发射线的原子模型。在他的模型中,质子和中子在原子核中,电子围绕原子核运行。值得注意的一点是,在这个模型中,电子只允许在距离原子核的特定距离轨道上运行,就像行星只能在一定的距离轨道上环绕太阳一样。离原子核越远,需要的能量就越多。每一个“距离”都被称为一个能级。电子可以在不同能级之间移动,但它需要互换能量。当我们讨论光子的能量时,我们也可以讨论波长,因为这两者是相关的。所需要的能量是由两个能级之间的能量差决定的,并且不同能级,不同元素的不同能级都是不一样的。将元素结合成分子也会改变能量需求。

光子的能量公式:
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公式中的h是普朗克常数(6.624×10^(-34) J·s,频率f是波长λ的函数。

频率公式:
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C是光速(3×108 ms-1), λ为波长,单位是赫兹。

一个电子要移动到一个更高的能级,它必须获得能量。一种方法是吸收具有适当能量的光子。当电子吸收光子时,相应的波长似乎从光谱中消失了,因为它已经被吸收了。反之,当电子移动到较低的能级时,它释放出相同数量的能量,这就产生了一条发射线。能级一般记为n,第一级能级为n = 2(对于原子核,n = 1)。从n = 2到n = 3需要吸收能量,而从n = 3到n = 2则释放能量。回到我们的氢原子,当它从太阳中的一个光子获得能量,一个电子从n = 2跃迁到n = 3,一条吸收线就形成了。当我们在燃烧器中加热氢时,我们实际上用能量激活了电子,然后它再次释放能量。当电子回到n = 2时。电子可以从n = 2跳到n = 3,或者跳到n = 4, 5,等等。下表概括了氢气所需的能量。这也被称为巴尔默系列。

每一种不同的元素都有它自己独特的能级,当一个元素原子结合到一个分子中时,能级又会发生变化。正因为如此,我们可以用光谱学来识别几乎任何元素或化合物。

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