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发射光谱
  • 时间：2025-04-04

Introduction

原子和分子物理学涉及对原子、分子及其性质的研究。多年来，我们可以使用越来越先进的技术。这些技术有助于我们对原子和分子进行表征。虽然研究化学性质的责任在于化学科学家，但物理学家研究原子和分子的量子力学，并试图描述它们的能级、自旋轨道耦合和各种其他性质。

在本教程中，我们将研究一种研究元素的漂亮方法，包括关注它们的发射光谱。可以通过公式将发射光谱中可见的波长相等，从而得出我们所寻求的值。

What is Emission?

排放只是指排放。也就是说，身体内部的某些东西正在被排出或排出。在物理学家的世界里，发射通常指气体或辐射的产生和随后的排出。

例如，使用化石燃料的车辆会排放对大气有害的气体。另一方面，当电子和空穴在p-n结二极管中复合时，它们会发射辐射。类似地，当电子从一个能级跳到另一个能级时，它们也会发射辐射。

当谈到表征元素时，辐射的发射是我们更关心的问题。不同能级的电子可以降到更低的能级并发射辐射。这些能级可能是指轨道、振动能级，甚至是旋转能级。只要能量发生变化，就可能产生辐射。

What Is Emission Spectrum?

正如您可能知道的那样，频谱是一个连续值的范围。例如，彩虹是一系列颜色。热水器内部的水温可以被称为光谱，因为它从室温到你设定的加热器温度都不一样。

因此，发射光谱是指从某种化合物发射的电磁辐射可能具有的频率范围。每种化学元素都有不同的发射光谱，这是独一无二的。例如，$mathrm{H_2O_2}$和$mathrm{H_2O}$的光谱将完全不同。请注意，“光谱”是单词“光谱”的复数形式。

Fig:1 Emission spectrum of Iron

Nilda, Emission spectrum-Fe, marked as pubpc domain, more details on Wikimedia Commons

上图是铁的发射光谱。发射光谱被绘制为一系列的线。横轴表示波数$mathrm{（
u=frac{1}{f}）}$，纵轴表示强度。

Production of Emission Spectrum

如前所述，发射光谱是通过不同能量状态之间的跃迁产生的。这些可以是振动的、旋转的或电子的。发射的辐射的能量等于两种能量状态之间的能量差。

例如，你一定研究过如何找到电子从$mathrm{n2}$轨道落入$mathrm{n_1}$时发出的光的波长。

$$mathrm｛lambda＝R（frac｛1｝｛n_1^｛2｝｝-frac｛1｝{n_2^｛2中｝）｝$$

这是由轨道之间的转换引起的发射的一个例子。类似地，我们可以在不同的振动和旋转能级之间进行跃迁，其计算是通过量子力学给出的。

我们可以通过加热或放电来诱导这些转变。

Types of Emission Spectrum

发射光谱可分为以下三类：

Line Spectrum

线谱变为可见的一系列离散线。线谱是在原子中观察到的，可以通过气体管放电来分析。线光谱中获得的图案是被研究元素的特征。因此，通过研究线谱，我们可以很容易地推断出我们正在研究的元素。

例如，钠的线谱在589.6nm和589nm处有两条线

Continuous Spectrum

连续频谱与线谱相反，它包含两个特定值之间的连续频率范围。此光谱中获得的颜色取决于样品的温度

例如，我们家里使用的灯泡会发出连续的光谱。

Band spectrum

带谱由几条连续的线组成，这些线在某些区域间隔很近，而在另一些区域间隔很远。这给出了光谱中正在形成的带的外观。事实上，只要有足够高的分辨率，我们就能看到线条。

这些波段在一端清晰地定义，在另一端逐渐消失。此外，能谱是特定分子的特征，因此可以用来推断未知分子的身份。

Examples

The Emission Spectrum of a Hapde Lamp

卤化物灯发出连续的光谱，在某些波长处具有峰值。强度表示在垂直轴上，波长表示在x轴上。

Fig:2 Spectrum of hapde lamp

Varistor60, Metal Hapde Rainbow, CC BY-SA 4.0

The Emission Spectrum of Hydrogen

氢分子$mathrm{（H_2）}$发射出相对简单的线谱，尽管在高分辨率下，即使是这个简单的光谱也会变得更加详细。

Fig:3 Spectrum of hydrogen

OrangeDog, Hydrogen spectrum, CC BY-SA 3.0

Uses

Astronomy

天文学家研究遥远天体的发射光谱。这使他们能够列出有问题的恒星或行星中存在的元素。这可能有助于我们找到能够维持生命的行星。

Study of Elements

发射光谱保存关于发射它们的元件的电子结构的信息。因此，研究发射光谱可以帮助我们识别样品中的未知元素。

Chemical Analysis

某些元素，当应用在铂丝上并被火焰点燃时，会呈现出高度特色和特定的颜色。这一概念用于化合物的盐分析。

Conclusion

物理学中的发射是气体或辐射的产生和随后的放电。例如，光是通过结型二极管中的电子-空穴复合发射的。同样，电子转换也会导致排放。

发射光谱是指特定元素在对应于旋转、振动或轨道状态的不同能级之间的电子跃迁时发射的频率范围。对元素发射光谱的研究可以用来识别它们或研究它们的性质。

发射光谱可以是线光谱、连续光谱或带光谱。线谱主要由原子发射，而能谱是分子的特征。例如，钠的线谱在589.6和589.0纳米处包含两条高度不同的谱线。

FAQs

Q1.如果发射光谱计算涉及量子力学，那么当量子力学中的能量被量子化时，我们怎么能有连续的光谱

答：事实上，光谱并不是连续的。它恰好间隔得很近，看起来像一个连续体。

Q2.有很多方法可以诱导元素的跃迁吗

是的。加热是一种简单的方法。然而，侵入性较小的跃迁感应方法包括电场、磁场、X射线光子感应等的应用。

Q3.发射光谱的研究是一个完全基于量子的课题吗

不完全是。在大多数实际情况下，半经典的发射光谱方法就足够了。一种现代方法是利用量子电动力学研究发射光谱。然而，半经典方法仍在使用。

Q4.所有材料都有发射光谱吗

是的。然而，许多元素的光谱线都在可见光范围之外。在任何一种情况下，所有元素都会以某种形式发射辐射，因此必须具有某种形式的发射光谱。

问题5.发射光谱肉眼可见吗

答：某些元素的某些颜色可能是肉眼可见的。然而，即使是我们所看到的，也可以通过光谱学进一步分解成更明确的线条。例如，钠会发出琥珀黄色。但在分光镜下，我们可以看到两条定义明确的线，相距6埃。

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