8.2. Атомарные спектры. Энергетические уровни атомов
Энергия атома дискретна (см. раздел III, 5.5). Разные энергетические уровни: Е1, Е2, Е3 … соответствуют разным состояниям электронных оболочек атома, в основном, электронов на внешних оболочках. При поглощении атомом электромагнитного излучения происходит переход с нижнего уровня Еn на верхний Еm . При этом поглощается фотон с энергией ε = Еm - Еn . Его длина волны:
λ = 
(8.1)
При излучении происходит переход с верхнего уровня на нижний, и при этом излучается фотон такой же энергии и длины волны, как у фотона, поглощённого при обратном переходе с данного нижнего на данный верхний уровень (см. рис. 8.3).
Рис. 8.3. Поглощение – а и излучение – б атома.
Так как энергия атома принимает дискретный ряд значений, спектр излучения атома – набор длин волн и соответствующих интенсивностей тоже дискретен – линейчатый ( рис 8.4 б).
Чем больше
«расстояние» между энергетическими
уровнями Δ Е, тем меньше длина волны λ
= 
,
поглощённого или испущенного излучения.
Рассмотрим в качестве примера атом
водорода - атом с одним электроном.
Рис. 8. 4 . Излучение атома водорода. Энергетические уровни –а, спектры излучения и поглощения- б. Л – серия Лаймана, Б – серия Бальмера, П – серия Пашена. ( Объясния в тексте).
По мере увеличения энергии Е расстояния между уровнями Δ Е уменьшаются. Расстояние между первым и вторым энергетическими уровнями больше, чем между вторым и бесконечным, между вторым и третьим больше, чем между третьим и бесконечным и т. д. (рис. 8.4 а). Поэтому излучения, сопровождающие переходы с любого верхнего на первый уровень, самые коротковолновые. Они для атома водорода происходят в ультрафиолетовой области – серия Лаймана, при переходе на второй уровень испускается более длинноволновое электромагнитное излучение – видимый свет – серия Бальмера, а переходы на третий и так далее уровни сопровождаются невидимыми инфракрасными излучениями – серия Пашена и т. д. (рис. 8.4 а и 8.4 б).
Для каждого элемента набор перепадов энергий Δ Е при переходах с одних уровней на другие индивидуален, поэтому индивидуален спектр испускания (и также спектр поглощения, соответствующий переходам с нижних уровней на верхние). Вероятности разных переходов разные и поэтому разные интенсивности (яркости) разных спектральных линий. Для разных элементов характерны разные длины волн спектральных линий наибольшей интенсивности. Например, для натрия – ярко-жёлтая линия (на самом деле, две близко лежащие линии: 589,0нм и 589,6нм). Атомарные спектры позволяют проводить очень точные исследования химического состава исследуемого образца – и качественный, и количественный анализ. Чувствительность метода – 10 –6 моль/л. Линейчатые атомарные спектры получаются только для газообразных образцов. Для атомарного спектрального анализа используется изучение и эмиссионных, и абсорбционных спектров. В медицине и фармации спектральный анализ позволяет, например, определять микроэлементы в тканях организма, примеси вредных металлов в консервированных продуктах, в целях судебной медицины и т. д.