2.6 Spektralanalys Redan på 1700 talet 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. 2.6.2 Diskret spektrum (=linjespektrum) Ett spektrum är diskret om det innehåller endast ett fåtal våglängder. Lysrörsljus bildar linjespektrum. 2.6.3 Spektroskopi 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 E 1, 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 (de exciteras), 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 de exciteras 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. He Ne lasern: I en helium neon laser exciteras heliumatomer, som sedan får kollidera med neonatomer. Neonatomerna stimuleras och sänder ut fotoner. Läs: Sid. 82 85, följt av sid. 73 77 (+78 79) Uppgifter: 2 18, 2 19, 2 20, 2 25 5