Widmo liniowe lub dyskretne - widmo emisyjne składające się z oddzielnych linii widmowych. Widmo takie jest typowe dla nieoddziałujących ze sobą atomów, czyli pierwiastków w stanie gazowym, jeżeli gaz ten pozostaje pod niezbyt dużym ciśnieniem. Dlatego widmo tego typu nazywane jest również widmem atomowym. Układ linii widmowych zależy od układu poziomów energetycznych elektronów w atomie, który jest różny dla atomów różnych pierwiastków. Z tego powodu również układ linii widmowych jest niepowtarzalny i charakterystyczny dla danego pierwiastka. Dzięki temu analiza widmowa światła pochodzącego nawet z bardzo odległych źródeł pozwala na identyfikację pierwiastków wchodzących w skład świecącego gazu.

Widmo pasmowe - widmo absorpcyjne lub widmo emisyjne rejestrowane w zakresie światła widzialnego, niezbyt dalekiego nadfioletu lub bliskiej podczerwieni dla swobodnych cząsteczek (znajdujących się w fazie gazowej). Widmo pasmowe powstaje w wyniku przejść między elektronowo-oscylacyjno-rotacyjnymi poziomami energetycznymi cząsteczek. W przeciwieństwie do widma liniowego atomów, składającego się z dobrze rozseparowanych pojedynczych linii widmowych wynikających z przejść między poziomami elektronowymi, w widmie pasmowym zaobserwować można bogatą strukturę oscylacyjno-rotacyjną.

W pierwszym przybliżeniu, dane pasmo w widmie można interpretować jako wynikające z przejścia między poziomami elektronowymi w cząsteczce (między którymi różnica energii wynosi na ogół kilka elektronowoltów). Widma te zalicza się więc na ogół do widm elektronowych. Przejście może zachodzić też ze zmianą stanu oscylacyjnego cząsteczki (typowe odległości energetyczne między stanami oscylacyjnymi to 0,1 eV), stąd zamiast jednej linii (jak w atomach) obserwuje się ich cały szereg, związany z różnymi zmianami oscylacyjnej liczby kwantowej. Wreszcie, przy dobrej rozdzielczości widać, że każda z nich rozpada się na wiele bliskich linii, odpowiadającym różnym zmianom rotacyjnych liczb kwantowych (odległości między poziomami rotacyjnymi są rzędu 0,0001-0,001 eV).

W wielu przypadkach, w widmie pasmowym można zaobserwować ostre granice zwane głowicami pasma. Po jednej ich stronie linie są początkowo bardzo gęste, a później się rozrzedzają.

W widmie cieczy nie widać struktury rotacyjnej (rotacje są zahamowane), a strukturę oscylacyjną widać tylko w szczególnych przypadkach (dla stosunkowo małych cząsteczek).

Interpretacja widma pasmowego jest dość skomplikowana. Dokonuje się na ogół za pomocą przybliżenia Borna-Oppenheimera lub bardziej ogólnego przybliżenia adiabatycznego, które pozwalają na oddzielenie ruchu elektronów i jąder w cząsteczce. Na przewidzenie (w pierwszym przybliżeniu) struktury oscylacyjnej widma pasmowego pozwala zasada Francka-Condona.

Linia spektralna — ciemna lub jasna linia w jednolitym, ciągłym widmie, powstającą wskutek nadmiaru lub deficytu fotonów (w porównaniu z pobliskimi częstotliwościami) w wąskim zakresie częstotliwości.

Linie spektralne są wynikiem oddziaływania pomiędzy układem kwantowym (zazwyczaj atomy, ale czasami też molekuły i jądra atomowe) i fotonami. Kiedy foton ma dokładnie taką energię, by zmienić energetyczny stan układu (w przypadku atomu jest to zazwyczaj zmiana orbity przez elektron), zostaje zaabsorbowany. Wzbudzony pochłonięciem energii układ może wyemitować foton. Emitowany (re-emitowany) foton może mieć taką samą częstotliwość lub może być ona inna. Układ może być też wzbudzony poprzez dostarczenie energii w wyniku zderzeń elementów układu (np. atomów).

Gdy światło przechodzi przez niepobudzony układ (np. chłodny gaz), w zależności od geometrii gazu, źródła fotonów i obserwatora w obserwowanym widmie można zaobserwować linie emisyjne lub linie absorpcyjne. Jeżeli gaz znajduje się pomiędzy źródłem fotonów i obserwatorem, w wyniku pochłaniania zostanie zaobserwowany spadek w natężeniu światła w częstotliwościach, w których fotony mogą być pochłaniane, jako że re-emitowane fotony będą poruszały się w innych kierunkach niż oryginalne. Wtedy powstanie linia absorpcyjna. Jeśli obserwator patrzy na taki gaz, ale bez widzenia źródła fotonów, zobaczy on tylko re-emitowane fotony w wąskim paśmie częstotliwości, i wtedy zaobserwuje linie emisyjne.

W klasycznym eksperymencie Newtona, kiedy światło jest przepuszczane przez szczelinę a potem przez pryzmat, z powodu zależności współczynnik załamania od długości fali (zjawisko nazywane dyspersją w szkle), każda z długości fali jest załamywana w innym kierunku i pierwotne światło rozbija się w wstęgę tęczy. W wyniku tego powstaje oddzielny obraz szczeliny dla każdej długości fali. Kiedy jest badane światło pochodzące od płomienia, zamiast pełnej gamy kolorów otrzymuje się wąskie linie, gdzie każdy z kolorów jest wyodrębniony - są to linie emisyjne. Każdy pierwiastek ma swój specyficzny zestaw linii i stąd narodziła się dziedzina zwana spektroskopią. Wiele pierwiastków zostało wpierw odkrytych dzięki swoim charakterystycznym liniom emisyjnym: hel, tal, cer, itd.

Powód dla którego pierwiastki mają ściśle określony zestaw linii, został po raz pierwszy wytłumaczony przez model atomu Bohra. Kiedy elektrony zmieniają swoją orbitę na mniej energetyczną, różnica energii jest wysyłana jako foton o dokładnie określonej częstotliwości. Dla prostych źródeł światła, stany energetyczne są ściśle określone, jak i częstotliwości obserwowanego światła.

Linie absorpcyjne i emisyjne są zależne od rodzaju atomów wytwarzających je i dlatego mogą być łatwo użyte do badania składu chemicznego dowolnej substancji zdolnej do przepuszczania przez siebie światło. W ten sam sposób można badać skład chemiczny gwiazd i innych ciał niebieskich. Linie spektralne są także silnie zależne od fizycznych własności gazu, co również jest wykorzystywane w astronomii. Pionierem takich badań był Joseph von Fraunhofer, od jego nazwiska linie absorpcyjne nazywane bywają liniami Fraunhofera.

Istnieją także inne mechanizmy, kiedy oddziaływanie atomu z fotonem może wytworzyć linię spektralną. W zależności od określonego, fizycznego oddziaływania częstotliwość zaangażowanych fotonów będzie się szeroko wahać i linia będzie obserwowana przez całe widmo, od fal radiowych do promieniowania gamma.

Linia rozszerza się na pewien zakres częstotliwości, zamiast pojawić się tylko dla jednej, konkretnej. Powody tego poszerzania są różne:

• Naturalne poszerzenie: przede wszystkim łączy przebywanie w stanie wzbudzonym z dokładną energią, tak że ten sam stan wzbudzony będzie się nieznacznie różnił energetycznie dla różnych atomów.

• Poszerzenie dopplerowskie: Atomy będą miały różne prędkości, więc będą widziały fotony przesunięte w czerwoną lub niebieską stronę widma, absorbując fotony o różnych energiach z punktu widzenia obserwatora. Im wyższa temperatura gazu, tym większe są różnice w prędkościach i większe poszerzenie linii.

• Poszerzenie wskutek ciśnienia: Oddziaływanie z innymi atomami przesuwa energię poziomów energetycznych, które są odpowiedzialne za powstawanie linii. Efekt zależy od gęstości gazu.

Widmo emisyjne - widmo spektroskopowe, które jest obrazem promieniowania elektromagnetycznego, wysyłanego przez ciało.

Widmo emisyjne powstaje, gdy obdarzone ładunkiem elektrycznym elektrony, atomy, cząstki lub fragmenty cząsteczek tworzących dane ciało, będąc wzbudzonymi przechodzą ze stanu o wyższej do stanu o niższej energii. Przejściu temu towarzyszy emisja kwantu promieniowania elektromagnetycznego o energii równej różnicy energii poziomów, między którymi przeszła cząstka.

Widma emisyjne charakteryzują się:

• Dla gazów prostych atomów - widmo emisyjne przyjmuje często formę serii dobrze rozseparowanych częstotliwości, które spektrometry rejestrują w formie prążków. Układ tych prążków jednoznacznie wskazuje na obecność określonego pierwiastka w gazie i jest nazywany widmem atomowym. Umożliwia to m.in. ustalanie na podstawie widm emisyjnych składu pierwiastkowego odległych ciał niebieskich.

• Dla ciał stałych i cieczy - widmo emisyjne jest ciągłe.

• Dla gazów atomów o złożonej budowie dają widmo pasmowe czyli składające się z pasów.

• Widmo absorpcyjne - graficzny zapis zmian wartości absorpcji w zależności od długości fali (liczb falowych). Powstaje podczas przechodzenia promieniowania elektromagnetycznego przez ośrodek absorbujący promieniowanie. Widmo absorpcyjne związane jest ze zmianami energii elektronowej, oscylacyjnej i rotacyjnej.

• Liniowe widmo absorpcyjne

• Obrazem widma absorpcyjnego związku chemicznego są pasma o strukturze liniowej lub ciągłej z silniej lub słabiej zaznaczonymi ekstremami.

Promieniowanie elektromagnetyczne (fala elektromagnetyczna) - rozchodzące się w przestrzeni zaburzenie pola elektromagnetycznego. Zaburzenie to ma charakter fali poprzecznej, w której składowa elektryczna i magnetyczna są prostopadłe do siebie, a obie są prostopadłe do kierunku rozchodzenia się promieniowania. Oba pola indukują się wzajemnie - zmieniające się pole elektryczne wytwarza zmienne pole magnetyczne, a zmieniające się pole magnetyczne wytwarza zmienne pole elektryczne. Źródłem zmiennego pola elektromagnetycznego jest przyspieszający ładunek elektryczny. Najczęściej źródłem tego promieniowania jest ładunek wykonujący drgania.

Z równań Maxwella w przestrzeni nie zawierającej ładunków (w próżni) wynika:

gdzie:

H - wektor natężenia pola magnetycznego,

E - wektor natężenia pola elektrycznego.

Równania te są liniowymi równaniami różniczkowymi fali rozchodzącej się z prędkością

gdzie: ε to przenikalność elektryczna, a μ to przenikalność magnetyczna ośrodka, w którym rozchodzi się fala. W próżni prędkość ta jest prędkością światła w próżni i określa ją wzór:

gdzie przenikalności z indeksem 0 odnoszą się do próżni. Rozwiązaniem różniczkowych równań Maxwella są równania fali biegnącej. Dla fali płaskiej rozchodzącej się w kierunku x równania te mają postać:

gdzie:

E₀ - amplituda natężenia pola elektrycznego,

H₀ - amplituda natężenia pola magnetycznego,

ν - częstotliwość fali elektromagnetycznej,

λ - długość fali.

Równania Maxwella i ich rozwiązanie pozwoliło połączyć pole elektryczne i magnetyczne w jedno pole elektromagnetyczne i pokazało bezpośredni związek tego pola ze światłem.

Promieniowanie elektromagnetyczne, choć jest falą, jak wynika z równań Maxwella, jest równocześnie strumieniem kwantów - fotonów. Im mniejsza długość fali, tym bardziej ujawnia się cząsteczkowa natura promieniowania elektromagnetycznego. Energia kwantu zależy od długości fali zgodnie ze wzorem:

Promieniowanie elektromagnetyczne rozchodząc się objawia swe własności falowe zachowując się jak każda fala, ulega interferencji, dyfrakcji, spełnia prawo odbicia i załamania.

Rozchodzenie się fali w ośrodkach silnie zależy od ośrodków oraz częstotliwości fali. Fala rozchodząc się w ośrodku pobudza do drgań cząsteczki, atomy i elektrony zawarte w ośrodku, które są źródłami fal wtórnych, zmieniając tym samym warunki rozchodzenia się fali w stosunku do próżni.

Powstawanie i pochłanianie promieniowania elektromagnetycznego wiąże się ze zmianą ruchu ładunku elektrycznego.

Własności promieniowania elektromagnetycznego silnie zależą od długości fali (częstotliwości promieniowania) i dlatego dokonano podziału promieniowania elektromagnetycznego ze względu na jego częstotliwość.

Fale elektromagnetyczne zależnie od długości fali (częstotliwości) przejawiają się jako (od fal najdłuższych do najkrótszych):

Pasmo	Długość [m]
Fale radiowe	>10^-4
Mikrofale	3·10^-1 - 3·10^-3
Podczerwień	10^-3 - 7,8·10^-7
Światło widzialne	7,8·10^-7 - 4·10^-7
Ultrafiolet	4·10^-7 - 10^-8
Promieniowanie rentgenowskie	10^-8 - 10^-11
Promieniowanie gamma	<10^-11

Granice poszczególnych zakresów promieniowania elektromagnetycznego są umowne i nieostre. Dlatego promieniowanie o tej samej długości może być nazywane falą radiową lub mikrofalą - w zależności od zastosowania. Graniczne promieniowanie gamma i promieniowanie rentgenowskie rozróżnia się z kolei ze względu na źródło tego promieniowania. Najdokładniej określone są granice dla światła widzialnego. Są one zdeterminowane fizjologią ludzkiego oka

Seria widmowa to seria wąskich linii widma emisyjnego lub absorpcyjnego zawsze występujących razem i związanych ze sobą mechanizmem powstawania, np.:

• serie K, L, M ... - powstają w wyniku przejścia elektronu na odpowiednie powłoki elektronowe (tzw. powłoki docelowe):

• seria K - odpowiada głównej liczbie kwantowej n=1 (powłoka K): przejścia elektronów z powłok o n=2, 3, 4 ... (n > 1) na powłokę K (n=1)

• seria L - odpowiada głównej liczbie kwantowej n=2 (powłoka L): przejścia elektronów z powłok o n=3, 4, 5 ... (n > 2) na powłokę L (n=2)

• seria M - odpowiada głównej liczbie kwantowej n=3 (powłoka M): przejścia elektronów z powłok o n=4, 5, 6 ... (n > 3) na powłokę M (n=3)

Przykłady serii widmowych to serie widmowe wodoru:

• seria Lymana - seria K (n=1), w dalekim ultrafiolecie,

• seria Balmera - seria L (n=2), widmo widzialne,

• seria Paschena - seria M (n=3), w podczerwieni,

• seria Bracketta - seria N (n=4), w podczerwieni,

• seria Pfunda - seria O (n=5), w podczerwieni,

• seria Humpreysa - seria P (n=6), w podczerwieni,

a także serie obserwowane w obszarze rentgenowskim dla metali ciężkich (metale o dużej liczbie atomowej Z).

Poszczególne linie serii widmowych oznacza się literą określająca serię (K, L, M ...) z indeksem określającym linię w danej serii - kolejnymi literami alfabetu greckiego, w razie konieczności (rozszczepienie widma) dodając jeszcze cyfrę, np.:

• K_α to linia odpowiadająca przejściu elektronu z powłoki n=2 na powłokę n=1

• L_α to linia odpowiadająca przejściu elektronu z powłoki n=3 na powłokę n=2

W danej serii widmowej (określone n orbity docelowej) linie odpowiadające przejściom z orbitali o zbliżonej liczbie kwantowej do orbitalu docelowego (małe n) są wyraźnie oddzielone od innych i mają najniższe w serii energie przejścia (najdłuższe fale). Z kolei linie odpowiadające wysokim n (słabo związane elektrony na zewnętrznych powłokach) zagęszczają się tworząc charakterystyczną krawędź odpowiadającą maksymalnej energii w serii, równej energii wiązania elektronu na powłoce docelowej.

Linie i serie widmowe nakładają się z reguły na widmo ciągłe. Całością zajmuje się spektroskopia.

---