2.6 Spektralanalys - mattliden.fi

2.6 Spektralanalys
Redan på 1700­talet insåg fysiker att
olika ämnen skickar ut olika färger då
de upphettas. Genom att låta
färgerna passera ett prisma kunde det
utsända ljusets enskilda färger
identifieras. Vid undersökning av
ljuset från en ljuskälla kan ett
spektrum användas. Ett spektrum är
en graf över ljusets intensitet i
förhållande till dess våglängd (eller
frekvens).
2.6.1 Kontinuerligt spektrum
Ett spektrum är kontinuerligt om det inte
finns gränser mellan våglängdsområden.
Solljusets spektrum är kontinuerligt,
likaså en glödlampas spektrum.
2.6.3 Spektroskopi
2.6.2 Diskret spektrum (=linjespektrum)
Ett spektrum är diskret om det
innehåller endast ett fåtal våglängder.
Lysrörsljus bildar linjespektrum.
Varje grundämne utsänder ett eget karakteristiskt spektrum. Ämnen kan alltså
identifieras genom att granska deras spektra. Detta kallas spektroskopi.
1

2.6.4 Emissionsspektra
Då ett ämne upphettas börjar det glöda och
emittera (sända ut) ljus. Ljuset ger då upphov
till ett emissionsspektrum. Emissionsspektret
kan vara kontinuerligt eller ett linjespektrum.
Det kan även förekomma emissionslinjer i ett
kontinuerligt spektrum, om intensiteten för en
viss våglängd är mycket högre än för de övriga
våglängderna. T.ex. då en fast kropp glöder ­
den utsänder ett kontinuerligt spektrum, men
de enskilda grundämnena som kroppen består
av ger upphov till emissionslinjer.
2.6.5 Absorptionsspektra:
Om ljus med ett känt kontinuerligt
spektrum får passera genom en gas av
något ämne kan man se svarta linjer i
ljuset från ljuskällan. Vi får ett
absorptionsspektrum. Absorptionslinjerna
motsvarar precis de emissionslinjer som
gasen skulle utsända om man
analyserade dess spektrum.
Repetition:
2

2.7 Atomens energinivåer
Grundämnenas spektrum kan förklaras
genom att använda Bohrs modell av atomen;
genom att anta att elektronerna befinner sig
på olika energinivåer, och att de inte kan
flytta sig från dessa utom genom kvanthopp,
samt att de måste utsända eller ta emot
energi för att göra kvanthoppen.
Atomens energitillstånd anges med huvudkvanttalet n. För en atom med endast
en elektron säger vi att atomen befinner sig i grundtillståndet E1, då elektronen är
på energinivån som svarar mot n = 1.
Atomen är exciterad, om elektronen befinner sig på något högre energitillstånd.
Det visar sig att skillnaden i energi mellan olika tillstånd alltid är någon multipel av
Plancks konstant:
Elektronen kan absorbera energi från
en inkommande foton och exciteras,
dvs. förflytta sig till ett högre
energitillstånd, om fotonens energi är
precis lika stor som skillnaden i energi
mellan elektronens nuvarande tillstånd
och det högre tilståndet. Den kommer
därefter att urladdas (de­exciteras), helt
eller delvis, genom att emittera fotoner
med energier som passar skillnaderna i
energinivåer i atomen.
3

Fluorescens och forsforescens
Bohrs modell fungerar bara för väteatomen,
men med hjälp av kvantmekaniken kan man
förklara även varför andra ämnen emitterar
ljus. Elektronerna absorberar energier och
exciteras, därefter de­exciteras de och
skickar ut energier.
Fluorescens kallas den process som sker i
lysrören; elektroner accelereras genom
gaser av olika ämnen och får gaserna att
lysa. Elektronerna måste hela tiden passera
gasen, stängs strömmen av slutar lampan
fungera.
Fosforescens är en liknande process, men här hålls elektronerna exciterade längre
tider. Man kan "ladda upp" ett ämne genom att lysa på det, därefter emitterar det
svagare ljus en längre tid. Detta kan anbändas till exempel i "självlysande" material
för urtavlor eller t.ex. som dekorationer.
4

2.7.1 Light Ampilification by stimulated
Emission of Radiation
Genom att belysa ett ämne vars atomer
redan är exciterade, kan man stimulera
elektronerna att urladdas och skicka ut
fotoner. Genom att välja ämnet och det
belysande ljuset på ett speciellt sätt, blir
det utsända ljusets fotoner lika i frekvens
som det belysande ljuset. Vi har förstärkt
ljuset, i stället för en foton har vi två.
Genom att upprepa processen får vi en
kaskad av fotoner, alla med samma
fekvens, och i samma fas. Ljuset är
koherent, och monokromatiskt.
För att processen skall kunna upprätthållas,
måste vi hela tiden excitera
atomerna i ämnet. Detta kan till exempel
göras med hjälp av elektriska
urladdningar.
He­Ne­lasern:
I en helium­neon­laser exciteras
heliumatomer, som sedan får kollidera
med neonatomer. Neonatomerna
stimuleras och sänder ut fotoner.
Läs: Sid. 82­85, följt av sid. 73­77 (+78­79)
Uppgifter: 2­18, 2­19, 2­20, 2­25
5