QUÈ ÉS EL EPECTRO D'EMISSIÓ? (AMB EXEMPLES) - FÍSICA - 2025

El espectre d'emissió és l'espectre de longituds d'ona de la llum emesa pels àtoms i molècules a l'realitzar una transició entre dos estats d'energia. La llum blanca o la llum visible que incideix en un prisma es descompon en diferents colors amb longituds d'ona específiques per a cada color. El patró de colors que s'obté és l'espectre de radiació visible de llum anomenat espectre d'emissió.

Els àtoms, les molècules i les substàncies també tenen un espectre d'emissió a causa de l'emissió de llum quan absorbeixen la quantitat d'energia adequada de l'exterior per transitar entre dos estats d'energia. A l'fer passar aquesta llum a través d'un prisma, es descompon en línies de colors espectrals amb diferents longituds d'ona pròpies de cada element.

La importància de l'espectre d'emissió és que permet determinar la composició de substàncies desconegudes i d'objectes astronòmics a través d'l'anàlisi de les seves línies espectrals utilitzant les tècniques d'espectroscòpia d'emissió.

A continuació, s'explica en què consisteix i com s'interpreta l'espectre d'emissió, s'esmenten alguns exemples i les diferències que hi ha entre l'espectre d'emissió i el d'absorció.

Què és un espectre d'emissió?

Els àtoms d'un element o d'una substància posseeixen electrons i protons que es mantenen units gràcies a la força d'atracció electromagnètica. D'acord a el model de Bohr els electrons estan disposats de tal manera que l'energia de l'àtom és la més baixa possible. A aquest nivell d'energia d'energia se l'anomena estat fonamental de l'àtom.

Quan els àtoms adquireixen energia de l'exterior els electrons es mouen cap a un nivell d'energia superior i l'àtom canvia el seu estat fonamental a un estat excitat.

En l'estat excitat el temps de permanència de l'electró és molt petit (≈ 10-8 s) (1), l'àtom és inestable i torna a l'estat fonamental passant, si és el cas, per nivells intermedis d'energia.

Figura 1. a) Emissió d'un fotó per la transició de l'àtom entre el nivell d'energia d'excitació i el nivell d'energia fonamental. b) emissió de fotons per la transició de l'àtom entre nivells d'energia intermedis.

En el procés de transició d'un estat excitat a un estat fonamental l'àtom emet un fotó de llum amb energia igual a la diferència d'energia entre els dos estats, sent directament proporcional a la freqüència veu inversament proporcional a la seva longitud d'ona λ.

El fotó emès es mostra com una línia brillant, anomenada línia espectral (2), i la distribució espectral d'energia de la col·lecció de fotons emesos en les transicions de l'àtom és l'espectre d'emissió.

Interpretació de l'espectre d'emissió

Algunes de les transicions de l'àtom són causades per augment de temperatura o per la presència d'altres fonts externes d'energia com ara un raig de llum, un corrent d'electrons o una reacció química.

Si un gas com l'hidrogen es col·loca en una cambra a baixa pressió i es fa passar a través de la càmera un corrent elèctric, el gas emetrà una llum amb un color propi que el diferenciés d'altres gasos.

A l'fer passar la llum emesa, a través d'un prisma, en lloc d'obtenir un arc de Sant Martí de llum, s'obtenen unitats discretes en forma de línies de colors amb longituds d'ona específiques, que transporten quantitats discretes d'energia.

Les línies de l'espectre d'emissió són úniques en cada element i el seu ús a partir de la tècnica d'espectroscòpia permet determinar la composició elemental d'una substància desconeguda així com la composició d'objectes astronòmics, mitjançant l'anàlisi de les longituds d'ona dels fotons emesos durant la transició de l'àtom.

Diferència entre l'espectre d'emissió i l'espectre d'absorció.

En els processos d'absorció i d'emissió l'àtom té transicions entre dos estats d'energia però és en l'absorció que guanya energia de l'exterior i aconsegueix l'estat d'excitació.

La línia espectral d'emissió és oposada a l'espectre continu de la llum blanca. A la primera la distribució espectral s'observa en forma de línies brillants i en la segona s'observa una banda contínua de colors.

Si un feix de llum blanca incideix en un gas com l'hidrogen, tancat en una cambra a pressió baixa, només una porció de la llum serà absorbida pel gas i la resta es transmetrà.

Quan la llum transmesa travessa un prisma es descompon en línies espectrals, cadascuna amb longitud d'ona diferent, conformant l'espectre d'absorció de el gas.

L'espectre d'absorció és totalment oposat al d'emissió i també és específic per a cada element. A l'comparar els dos espectres d'un mateix element, s'observa que les línies espectrals d'emissió són les que estan faltant en l'espectre d'absorció (Figura 2).

Figura 2. a) Espectre d'emissió ib) Espectre d'absorció (Autor: Stkl. Font:

Exemples d'espectres d'emissió d'elements químics

a) Les línies espectrals de l'àtom d'hidrogen, a la regió visible de l'espectre, són una línia vermella de 656.3 nm, un blau clar d'486.1nm, un blau fosc de 434nm i una molt feble de color violeta de 410nm. Aquestes longituds d'ona s'obtenen de l'equació de Balmer - Rydberg en la seva versió moderna (3).

és el nombre d'ona de la línia espectral

és la constant de Rydberg (109666.56 cm-1)

és el nivell més alt d'energia

és el nivell més alt d'energia

Figura 3. Espectre d'emissió de l'hidrogen (Autor: Adrignola. Font: commons.wikimedia.org

b) L'espectre d'emissió de l'heli té dues sèries de línies principals, una a la regió visible i una altra propera a l'ultraviolat. Peterson (4) va utilitzar el model de Bohr, per calcular una sèrie de línies d'emissió de l'heli en la porció visible de l'espectre, com a resultat de diverses transicions simultànies de dos electrons a l'estat n = 5, i va obtenir valors de la longitud d'ona consistents amb els resultats experimentals. Les longituds d'ona que es van obtenir són 468.8nm, 450.1nm, 426.3nm, 418.4nm, 412.2nm, 371.9nm.

c) L'espectre d'emissió de l'sodi té dues línies molt brillants de 589nm i 589.6nm anomenades línies D (5). Les altres línies són molt més febles que aquestes i, per a propòsits pràctics, es considera que tota la llum de l'sodi prové de les línies D.

referències

1. Measurement of lifetimes of excited states of the hydrogen atom. VA Ankudinov, SV Bobashev, and EP Andreev. 1, 1965, soviet Physics JETP, Vol. 21, pp. 26-32.
2. Demtröder, W. Laser Spectroscopy 1. Kaiserslautern: Springer, 2014.
3. DKRai, SN Thakur i. Atom, làser and spectroscopy. New Delhi: Phi Learning, 2010.
4. Bohr Revisited: Model andespectral lines of helium. Peterson, C. 5, 2016, Journal of young Investigators, Vol. 30, pp. 32-35.
5. Journal of chemical Education. JR Appling, FJ Yonke, RA Edgington, and S. Jacobs. 3, 1993, Vol. 70, pp. 250-251.