什么是吸收光谱和发射光谱?

发布时间:2023-06-06 00:00:00.000Z

吸收光谱和发射光谱分别是测量一种材料吸收和发射的光量的图形表示。吸收光谱显示一种材料吸收的光的波长,而发射光谱显示光的发射。

当一个分子以电磁辐射的形式吸收能量时,该分子有许多不同的方式来发射这种辐射并返回到其基态。贾布隆斯基图说明了光的吸收和发射之间发生的过程。

雅布隆斯基图

贾布隆斯基图是一个能量图,显示了光激发分子的电子状态和振动水平之间的可能转变。该图在垂直方向上按分子的能级增加排列,在水平方向上按自旋倍率排列。


电子状态是分子的电子配置,并根据每个状态的自旋和轨道角动量配置来表征。这些表示为单子态 "S",其中总自旋角动量为零,而三子态 "T",总自旋角动量为一。这些电子能级中的每一个都可以存在一些振动能级,如0、1、2等。这些能级被表示为单子基态S0、第一激发单子态S1、第二激发单子态S2、第一激发三子态T1等。

一个受激分子通过转移能量去激发到较低的分子状态,这可以是辐射性的或非辐射性的。

辐射性和非辐射性转变
 

在这个吸收和发射过程中的两个主要过渡是辐射性过渡和非辐射性过渡。辐射性转变是两个分子状态之间的转变,其能量差被作为光子发射或吸收,而非辐射性转变是没有吸收或发射光子的转变。

一旦一个分子吸收了电磁辐射形式的能量,有几条路径可以返回到它的基态。因此,在这种吸收和发射之间会发生各种作用,如振动松弛、荧光、系统内交叉和磷光

吸收 
 

吸收是从基态的最低能级S0开始的,因为它是稠密的。当光子进入时,分子吸收了光子的能量并被激发到一个更高的能量状态,无论是S1还是S2。这一转变发生在10-15秒的时间内,是最快的转变。

只有当入射光子的能量与分子两个电子状态的能量差相对应时,吸收才是可能的。
 

震动松弛
 

激发的分子处于非平衡状态,最终将释放它所获得的能量并返回到基态。多余的能量以非辐射过渡的形式转移到其他振动模式,即振动松弛。转移能量后,分子在10-12-10-10秒的时间内达到电子状态的最低振动水平。

如果振动能级与电子能级强烈重叠,处于较高单子电子态的分子就会去激发到较低单子电子态。这种转变也是非辐射性的,与振动松弛相同。这个非辐射过程被称为内部转换,紧接着就是振动松弛。内部转换率与两个电子状态之间的能量间隙成反比。对于紧密分离的高阶单子激发态(S3→S2,S2→S1,等等),内部转换将在10-11到10-9秒的时间尺度上迅速发生。同时,S1和S0状态之间的内部转换会缓慢发生。它将与荧光和系统间的交叉等转换竞争,因为这些状态之间的能量差较大。

荧光
 

荧光是一种辐射性转变,因为受激的光子通过将吸收的能量作为光子发射出去而从S1到S0进行去激。这个过程发生得很慢,大约在10-9到10-7秒之间。发出的光子的能量等于参与转变的两个电子状态之间的能量差。由于内部转换和振动松弛期间的能量损失,发射的光子的能量通常低于吸收的光子的能量。

体系间交叉
 

体系间交叉是一个从S1到T1上层状态的非辐射过渡,由于自旋角动量的守恒,这是禁止的。然而,诸如自旋-轨道耦合等因素,产生于电子和核自旋之间的相互作用,使得这种过渡是允许的。紧接着系统间的交叉,分子将经历振动松弛到T1地振动状态。

磷光
 

从T1到S0的辐射性转变并发射光子被称为磷光。像系统间的跨越一样,磷光也是一个被禁止的转变,但通过自旋-轨道耦合是允许的。

吸收光谱

吸收光谱是一种基本的光谱图形,用于识别和分析材料的化学成分。它是一种材料在暴露于不同频率的光时对光的吸收模式。材料吸收特定频率的光的能量。不同频率的光对应于不同的颜色,吸收光谱可以用来识别哪些颜色被吸收和反射。入射的电磁辐射量、温度、材料的固体晶体结构以及分子间的相互作用都会影响材料的吸收水平。

当一束光通过一个样品时,它将吸收某些波长的光,这取决于它的化学成分和结构。吸收的波长是由样品中分子的不同电子或振动状态之间的能量差异决定的。来自基态的电子达到更高的能级,并以暗带传输光的频率。当光穿过化学溶液时,光谱中可以看到黑线的图案。这个图案可以用分光光度计进一步检查,分光光度计测量通过样品的光量作为波长的函数。由此产生的光谱显示了被样品吸收的光的波长以及每个波长的吸收强度。

一种物质的吸收光谱可以提供有关其化学结构、成分和物理性质的信息。特别是,它们可以用来识别特定的分子或官能团,确定混合物中某种物质的浓度,并研究分子与光的相互作用。

吸收光谱的类型
 

吸收光谱有三种主要类型:

连续吸收光谱: 连续吸收光谱是一种吸收光谱,其强度随着频率的增加或波长的减少而持续下降。它通常在能够在广泛的频率范围内吸收光的材料中观察到,如无机盐和某些有机分子。该光谱的特点是宽而无特征的曲线,代表吸收程度与波长或频率的关系。这种吸收光谱被用于各种科学和技术领域,包括天文学、化学和材料科学。它提供了有关材料的电子和光学特性的宝贵信息,并可用于识别和量化各种化学物种的存在。

线吸收光谱: 当分子吸收了能量与原子的能级差异完全匹配的入射光子时,就会产生线吸收光谱。由此产生的图形显示出在辐射被吸收的特定波长处有明显的线条或条带。这种类型的光谱通常在气体中观察到,其中的分子具有不连续的能量水平。

带状吸收光谱: 具有一系列重叠吸收带的光谱,而不是单独的线。这种类型的光谱通常在具有大量紧密间隔的能级的材料中观察到。它的产生是由于电子或分子转换的发生导致了能量状态的变化。带状光谱可以在碘蒸气、稀释的血液、叶绿素以及其他有机和无机物质溶液中产生。

吸收光谱的应用

吸收光谱被用于各个领域,从天文学和地质学到生理学和生物化学。

在天文学中,它被用来识别恒星和行星的组成,在地质学中,它被用来识别矿物和岩石。
在生理学和生物化学中,它被用来研究细胞和组织的化学成分。
吸收光谱还可用于确定材料的光学特性、医学成像、污染监测和材料分析。

发射光谱

发射光谱是原子、分子或其他材料被外部能量源(如热、电或光)激发时发出的电磁辐射波长的光谱。这些光谱是每种材料的独特光型,可用于识别发射光的物质。物质的组成可以通过分析所发射的光的颜色和强度来确定。它是通过将样品的发射光谱与已知的元素和化合物的光谱相比较来完成的。

当一个原子或分子从低能级(基态)通过使用外部能量源,如热或电,被激发时,电子会移动到更高的能级(激发态)。当这些电子退到低能级时,它们以光子的形式释放能量。发出的光有一个特定的频率或颜色,与较高和较低能级之间的能量差相对应。

发出的光子的能量为:

其中Ephoton是光子的能量,ν是频率,而h是普朗克常数。

材料的发射光谱可以用分光镜来观察,分光镜将发射的光分成不同的波长。每种元素或化合物都有其特有的发射光谱,可用于识别其在样品中的存在或研究其特性。

发光光谱的类型

原子发射光谱

这种光谱指的是原子在热激发后回到基态时发出的光的波长模式。这种发射的光的波长可以用来识别原子。原子光谱线的波长给出了该元素的身份,而发射光的强度则与该元素的原子数成正比。这种光谱学是一种化学分析方法,它利用火焰、等离子体、电弧或火花所发出的光的强度来确定样品中某种元素的数量。原子发射光谱的研究在许多科学领域都很重要,包括天文学,它被用来确定恒星的化学成分;在化学中,它被用来确定未知物质。

分子发射光谱

分子发射光谱,被称为分子荧光,是由分子在被激发后回到基态时发出的光导致的。这种光谱是被分析的分子特有的波长模式。它由一系列对应于分子内不同能量转换的线条组成。这些线可以用来识别分子,并提供有关分子的电子和振动状态的信息。它有许多实际应用,包括研究化学反应、环境污染物的检测和医疗诊断。

配体发射光谱

该光谱产生于金属离子复合物和配体被能量(通常是光的形式)激发时的光发射。配体是一种与中心金属离子或原子结合的离子或分子,通常形成一个配位复合物。这个光谱代表了一系列的峰值和谷值,对应于络合物内的不同能量水平。峰和谷的特定波长和强度提供了关于络合物的电子结构以及金属离子和配体之间化学作用的性质的信息。它通常被用于光谱学研究金属-配体复合物的特性,这些复合物在各种化学和生物过程中发挥着重要作用。

离子发射光谱

离子发射光谱是离子从高能级过渡到低能级时发射的光的波长的图形表示。

当一个离子或气体被能量激发时,通常是以热或电的形式,其电子可以被激发到更高的能量水平。当这些被激发的电子返回到较低的能量水平时,它们会发射出具有特定能量和波长的光子。光谱显示了一系列与离子或气体内不同能级相对应的离散线。离子光谱提供了关于离子或气体的电子结构的信息。它通常用于光谱学研究离子和气体的特性,在各种化学和物理过程中发挥着重要作用。

阴极发射光谱

当阴极被加热或受到电场的影响时,阴极或阴极材料的光发射会产生阴极发射光谱。该光谱的特点是一系列离散的线条,对应于阴极材料内的不同能量水平。光谱中的每条线都对应于两个能级之间的一个特定过渡,而线的特定波长提供了关于阴极材料电子结构的信息。这种类型的光谱通常用于研究阴极材料的特性,这些材料在各种技术应用中发挥着重要作用,包括照明、电子和能源储存。阴极发射光谱的一个例子是钨丝的光谱,钨丝通常用于白炽灯泡。

辉光放电发射光谱

辉光放电发射光谱是指由气室中两个电极之间的低压放电产生的发射光谱。它是一系列离散的线条,对应于气体和电极内的不同能量水平。光谱中的每条线都对应于两个能级之间的一个特定过渡。这些线的特定波长提供了关于气体和电极的组成和特性的信息。这种类型的发射光谱通常用于研究气体和固体的特性,在各种技术应用中发挥着重要作用,包括照明、表面改性和材料合成。辉光放电发射光谱的一个例子是氖气放电的光谱,用于霓虹灯。
 

电感耦合等离子体(ICP)发射光谱

由电感耦合等离子体光谱仪中的高温电离气体产生的一种分析技术。ICP发射光谱的特点是与电离气体的不同能量水平相对应的离散线。光谱中的每条线都对应于两个能级之间的一个特定过渡。这些线的特定波长提供了关于元素组成和浓度的信息。ICP发射光谱通常用于分析化学,以确定和量化样品中存在的元素。样品被引入等离子体,在那里被汽化和电离,产生的发射光谱用光谱仪进行分析。光谱线的强度与样品中相应元素的浓度成正比,可以进行定量分析。它被广泛应用于各个领域,如环境监测、材料分析、冶金、地质和生物化学。它具有灵敏度高、检测限低、能同时分析多种元素的优点。

线发射光谱

当一种气体,如氢气或氦气,被外部能量源,如放电或火焰所激发时,会产生线发射光谱。在这种光谱中,气体只在特定的波长下发光,在黑暗的背景上产生亮线。这种光谱与连续发射光谱形成对比,后者显示连续的颜色范围。线状发射光谱的来源是钠蒸气灯中的钠,汞蒸气灯中的汞,以及放电管中的气体。这种类型的发射光谱在许多科学领域都很重要,包括天文学,它们被用来识别恒星和其他天体的化学成分。它们也被用于分析化学,以确定和量化样品中存在的元素。

连续发射光谱

这种光发射光谱是在固体或稠密气体,如恒星,发出光时产生的。在连续发射光谱中,发射的光涵盖了广泛的波长范围,产生了连续的彩虹般的颜色。这与其他光谱形成对比,如发射光谱和吸收光谱,只显示某些波长的光。连续光谱中的颜色是由发射物体的温度决定的,与光源的特性无关。随着温度的升高,光谱向短波长转移,产生蓝色。它被称为黑体辐射,在天体物理学和其他需要根据远处物体发射的光的颜色来确定其温度的领域非常重要。光谱包含了从紫色到红色的所有颜色。连续光谱的来源的例子是白炽灯固体、液体、碳弧、电灯丝等。

带状发射光谱

一种气体或蒸气在一定的波长范围内发光,而不是像线发射光谱那样在特定的波长范围内发光。这些发射是在气体或蒸气中的分子被激发并经历其振动和旋转能级的变化时产生的。由此产生的光谱由广泛的光带而不是离散的线组成,并且可以有一个复杂的结构,有重叠的光带。

带状发射光谱通常是由分子而不是原子产生的,通常在氮气、氧气和二氧化碳等气体的光谱中观察到。带状光谱的例子是本生灯中的钙或钡盐以及放电管中分子状态的二氧化碳、氨和氮等气体。这种类型的发射光谱在大气科学中至关重要,他们研究地球大气的组成和行为。它们也被用于工业过程,如激光技术和等离子体物理学,其中气体和等离子体的属性是至关重要的。

发射光谱的应用

发射光谱在科学中有着广泛的应用,从天文学到化学,甚至更多。它们是研究物质的组成和行为的宝贵工具。

在天文学中,它们被用来识别恒星和其他天体的组成。
一种物质的发射光谱也可以用来测量其温度。通过测量不同颜色的光发射强度,科学家可以确定一种物质的温度。
它也被用来研究化学反应。通过分析反应产物的发射光谱,可以确定反应物和发生反应的条件。这些信息对于理解和预测化学反应的行为是非常宝贵的。
 

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