18. Схемы энергетических переходов в атомах.

Взаимодействие с электромагнитным излучением может приводить к ионизации или к переходам электронов на возбужденные уровни только при равенстве электромагнитной энергии, энергии ионизации или разности энергий верхнего и нижнего уровней возбужденного атома соответственно. Для возбуждения оптических спектров воздействием излучения применяют газоразрядные лампы и специальные лампы накаливания, которые испускают необходимый спектр излучения в зависимости от определяемых элементов.

Совокупность различных порций энергии (квантов), которые могут быть поглощены атомами данного элемента при переходе их внешних электронов с более низких уровней на более высокие, образуется его спектр поглощения, состоящий из большого числа линий, имеющих длины волн  и частоты  , зависящие от разности соответствующих уровней.

Число наблюдаемых на опыте линий поглощения каждого элемента зависит от спектра источника света и от концентрации возбужденных и невозбужденных атомов или ионов в просвечиваемом объекте для наблюдения полного спектра поглощения необходим источник излучения, обладающий непрерывным спектром. Однако и часто используют источники, которые испускают лишь излучение, подходящее для наблюдения какой-то части линий поглощения.

Спектр поглощения (спектр атомной абсорбции), отображающий способность атомов каждого элемента поглощать только строго определенный набор длин волн, является характеристичным в такой же степени, как и спектр испускания (эмиссии), т.к. спектр испускания определяется той же системой энергетических состояний валентных электронов.

Возникновение спектров эмиссии (испускания) связано с тем, что состояние поглотившего дополнительную энергию возбуждения, является неустойчивым. Возбужденные атомы, точнее электроны внешних оболочек, перешедшие на более высокие энергетические уровни примерно через 10^-8 сек после возбуждения возвращаются в исходное состояние, отдавая избыточную энергию в виде эми с частотой (длиной волны), соответствующей энергии энергетических уровней, между которыми происходит переход (рис.1).

Спектр испускания принято называть эмиссионным, когда излучающие атомы образуются главным образом при соударениях с частицами (возбуждение атомов происходит их бомбардировкой быстрыми электронами), и флуоресцентным, когда они образуются под действием излучения.

Линейчатые спектры испускания и поглощения наблюдаются либо в виде узких полосок разной интенсивности, расположенных в порядке изменения длин волн, либо в виде такой же последовательности пиков разной высоты, зависящей от интенсивности. Особое значение в спектральном анализе имеют т.н. резонансные линии. Резонансными линиями называются линии, которые испускаются или поглощаются при переходах между основными энергетическим уровнем и самым низким возбужденным уровнем для которого такие переходы допускаются определенными правилами отбора. Эти линии находятся на разных участках оптического диапазона длин волн - от ИК- до далекой УФ-области.

Е_и

Е₄

Рис. 2. К определению ширины спектральн. линии

Граница серии

Поглощение Испускание Серия

Длина волны резонансной линии уменьшается при переходе от легко возбудимых к трудно возбудимым элементам. В пределах одной группы таблицы Менделеева длина волны резонансных линий увеличивается сверху вниз.

Важной характеристикой спектральной линии, кроме ее положения на шкале длин волн, является интенсивность спектральной линии. Интенсивность линий в спектрах испускания определяется числом квантов с энергией h_ml, испускаемых в 1 сек атомами, находящимися в 1 см³ при переходе с возбужденного уровня m на более низкий l-уровень.

Концентрация N_m изменяется в зависимости от условий возбуждения, а вероятность перехода _ml является атомной постоянной( т.н. коэффициент Эйнштейна для испускания). Концентрация возбужденных атомов данного элемента пропорциональна концентрации свободных атомов определяемого элемента N и зависит от температуры Т и от энергии возбуждения

N_m = ₀Nе^-Еm/^RT, (1)

где ₀ - коэффициент пропорциональности, учитывающий свойства атомов, испускающих излучение ;

к = 1,38 х 10^-23 Дж/к - постоянная Больцмана.

Концентрация возбужденных атомов и интенсивность линий увеличивается по мере повышения температуры и уменьшения энергии возбуждения E_m по экспоненте:

I_m,l= ₀Nе^-E/kTf_m,l

Где f_m,l – вероятность спонтанного перехода.

Еще одной характеристикой спектральных линий является ширина спектральной линии. Спектральные линии имеют различную форму и разную ширину, что обусловлено свойствами системы| и внешними условиями, а также размером выходной щели спектрометра.

Шириной щели называют ширину ее контура при значении ординаты, равной половине ее максимального значения, т.е. при I = 1/2 I₀

19.Зависимость числа спектр.линий от полож. в периодич таблице. Линейчатые спектры испускания и поглощения наблюдаются либо в виде узких полосок разной интенсивности, расположенных в порядке изменения длин волн, либо в виде такой же последовательности пиков разной высоты, зависящей от интенсивности. Особое значение в спектральном анализе имеют т.н. резонансные линии. Резонансными линиями называются линии, которые испускаются или поглощаются при переходах между основными энергетическим уровнем и самым низким возбужденным уровнем для которого такие переходы допускаются определенными правилами отбора. Эти линии находятся на разных участках оптического диапазона длин волн - от ИК- до далекой УФ-области.

Число линий и сложность спектра возрастают в след.порядке: наиболее простые спектры – H и др.элементы с одним e, более сложные – элементы второй группы и т.д. по мере увеличения номера группы. Самые сложные – у металлов побочных подгрупп кроме 1,2,3, имеющих недостроенные d- и f-подуровни, и у редкоземельных элементов. Все элементы главных подгрупп имеют относит.простые спектры. Линии спектров неравномерно распределены в пределах наблюдаемого диапазона длин волн. При этом разные серии линий оптического диапазона перекрываются, линии одной серии находятся на разных участках оптич. диапазона длин волн, что затрудняет их распознание.

Каждому энергетич.переходу соответствует одна опред.линия испускания или поглощения, но т.к. в излучающем или поглощающем объеме исслед.вещ-ва одновременно присутствуют атомы, находящиеся в различных состояниях возбуждения и ионизации, которые одновременно испускают или поглощают соответствующее характеристическое излучение, то одновременно можно наблюдать большое число разных линий характеристических спектров. Число наблюдаемых линий, кроме природы атомов зависит и от способа возбуждения спектров. Например, в дуговом или искровом разряде возбуждаются сразу многие энергетические состояния атомов практически всех элементов, входящих в исследуемый материал, вследствие чего в оптическом спектре сожно одновременно наблюдать до нескольких тысяч линий. В справочниках по спектральному анализу : H-54, Mn-138, Cd-530.

Спектр поглощения или испускания сложного вещ-ва складывается из характеристических спектров отдельных его атомов и ионов. Для анализа хим.состава вещ-ва из сложного спектра обычно выделяют отдельные, наиболее подходящие для конкретного случая, линии определяемых элементов.