WIDMO LINIOWE

Atomy pierwiastków przeprowadzone w elektronowy stan wzbudzony powracając do podstawowego stanu energetycznego, emitują kwanty energii. Zgodnie z zasadami energii kwantowej atomy mogą znajdować się tylko w ściśle określonych tzw. dozwolonych stanach wzbudzonych, o określonych tzw. dozwolonych stanach wzbudzonych, o określonych wartościach energii itd. Zbiór takich wartości energii jest charakterystyczny dla atomów każdego pierwiastka.

Podczas przejściach z kolejnych energetycznych stanów wzbudzonych do stanu podstawowego o energii E następuje emisja kwantów promieniowania o odpowiednich częstotliwościach ν₁ , ν₂ ,… czyli emisja monochromatycznych wiązek światła o poszczególnych długościach fal χ₁ , χ₂, …

gdzie : h- stała Planca, c- prędkość światła w próżni

Widmo emitowanego światła jest więc widmem liniowym. Każdy pierwiastek emituje charakterystyczne świecenie o określonym widmie liniowym.

Atomy pierwiastków można pobudzić do świecenia, jeżeli substancję, której atomy chcemy badać, wprowadzimy w płomień o odpowiedniej temperaturze, w łuk elektryczny lub w pole iskry elektrycznej. W tych warunkach wybrane atomy badanej substancji ( np. w płomieniu palnika gazowego atomy sodu z wyprowadzonej do palnika soli NaCl) przechodzą do dozwolonych stanów wzbudzonych. Skutkiem takiego wzbudzenia jest emisja światła, którego widmem jest widmo liniowe.

Widmo liniowe jest charakterystyczne dla każdego pierwiastka, więc wykorzystano je do jakościowej analizy widmowej, która pozwala na stwierdzenie obecności pierwiastka w badanym związku. Poza tym widma liniowe znalazły szerokie zastosowanie w ilościowej analizie chemicznej, w której na podstawie natężenia linii widmowej określa się ilość danego pierwiastka w badanym związku. Metodę tą stosuje się do m.in. do oznaczania zawartości śladowych ilości metali podczas kontroli jakości środków spożywczych oraz podczas badania zanieczyszczeń naturalnych zbiorników wody. Do badania widm stosuje się różnego rodzaju spektrografy i spektrofotometry. Rejestracji widm dokonuje się metodą fotograficzną lub fotoelektryczną.

Opis spektroskopu

Spektroskop składa się z trzech zasadniczych części: kolimatora, pryzmatu i lunety obserwacyjnej.

Kolimator służy do otrzymywania równoległej wiązki światła padającej na pryzmat. Składa się ona z soczewki skupiającej (układu soczewek)

Pryzmat służy do rozszczepiania równoległej wiązki promieni padających z kolimatora. Promienie po wyjściu z pryzmatu wchodzą do lunety obserwacyjnej i w płaszczyźnie jej ogniskowej dają wiele barwnych obrazów szczeliny. Widmo to obserwuje się przez okular lunety, który działa jak lupa.

Aby spektroskop mógł być wykorzystywany do wyznaczania długości fali, należy go uprzednio wycechować tzn. wykonać wykres zależności dla danego źródła światła, gdzie: χ - długość fali opinii widmowej, a x- oznacza jej położenie w widmie obserwowanym przez lunetę na tle odpowiedniej skali ( odległość od umownego punktu początkowego) Wykresem zależności jest krzywa, zwana krzywą dyspersji.

Po wykreśleniu krzywej dyspersji dla danego spektroskopu można przejść do wyznaczenia nie znanych długości fal linii w badanym widmie. W tym celu wystarczy odczytać położenie linii widmowej w stosunku do uprzednio przyjętego punktu odniesienia, następnie z krzywej dyspersji odczytać długość fali.

Na pomiarze długości fali opiera się analiza widmowa, czyli określenie jakościowe i ilościowe składu chemicznego ciał na podstawie widm ich promieniowania. Wchodzi tu w grę zarówno promieniowanie widzialne, jak nadfiolet i podczerwień. Analiza widmowa opiera się na fakcie, że gazy i pary pobudzone do świecenia mają charakterystyczne widma. Analiza widmowa umożliwia odkrycie nowych pierwiastków.

Widma emisyjne

Gdy przed szczeliną kolimatora umieścimy źródło promieniowania w postaci świecącego ciała ciekłego lub rozżarzonego ciała stałego, to otrzymamy widmo ciągłe. Promieniowanie włókna żarówki, promieniowanie Słońca i promieniowanie lampy łukowej ( temp. Ok. 4000 C na węglu dodatnim) daje widmo ciągłe. Widmo ciągłe nie może być wykorzystywane do celów analizy widmowej emisyjnej.

Gdy źródłem promieniowania są atomy lub cząsteczki, spektrometr daje widmo nieciągłe, tzw. widmo prążkowe, składające się z oddzielnych wąskich linii lub też z linii grupujących się w pasma. Widma liniowe charakterystyczne są dla atomów i jonów emitujących światło, zaś widma pasmowe powstają przy promieniowaniu cząstek.

W analizie widmowej wykorzystywane są zarówno widma liniowe, jak i pasmowe.

Wzbudzanie świecenia może odbywać się w sposób bardzo prosty, np. poprzez wprowadzenie substancji łatwo parującej do płomienia palnika Bunesa. W ten sposób otrzymujemy widma lotnych metali, takich jak sód, potas, lit, wapń, bar. Można też wprowadzić do płomienia sole łatwo dysocjujące w wysokiej temperaturze. Wprowadzenie np. chlorku sodu na pręciku platynowym lub na kawałku azbestu powoduje wystąpienie charakterystycznego dla sodu żółtego zabarwienia płomienia, jak również pojawienie się w widmie charakterystycznych linii żółtych sodu w dziedzinie widzialnej. Inne metody wzbudzania sprowadzają się do wykorzystania łuku elektrycznego lub iskry elektrycznej.