1.3 Elemente de spectroscopie

Obţinerea spectrelor atomice

Spectroscopia reprezintă o metodă experimentală care constă în analiza radiaţiei prin intermediul unor aparate optice având drept principală componen-tă optică o prismă sau o reţea de difracţie. 

Fig. 7. Spectroscopul cu prismă optică are ca prin­ci­pale componente: sursa spectrală, fanta, coli­ma­torul, prisma optică şi dispozitivul de vizare (obser­vatorul).

Imaginea fantei este observată sub forma unor linii colorate numite linii spectrale. Localizarea acestora în câmpul vizual al lunetei se realizează prin intermediul unei lentile iar determinarea poziţiei acesteia se realizează prin suprapune­rea imaginii unei riglete, ale cărei diviziuni sunt trasate pe o placă transparentă, peste imaginea liniilor spectrale. Dacă aparatul spectral formează pe o placă fotografică imaginea reală a fantei, prin intermediul unui sistem optic, acesta poartă numele de spectrograf.

Fig. 8 Spectre continue, spectre de emisie şi de absorbţe

Spectrele atomice pot fi: spectre de emisie, în care este analizată lumina provenită de la o sursă, sau de ab­sorb­ţie, în care este analizat spectrul luminii albe du­pă trecerea acestuia prin substanţa ale cărei proprietăţi sunt studiate (Fig 8 b,c). Spectrele pot fi clasificate şi în spectre continue (fig 8a) sau discrete (de linii  - Fig 9b)

Pentru obţinerea unui spectru de emisie aceasta trebuie să fie chiar sursa radiaţiilor. În cazul spectrului de absorbţie ca sursă spectrală poate fi folosit, de pildă, un tub de sticlă vidat (tub Geissler) în care se introduce un gaz la presiune joasă (de exemplu, hidrogenul). Apli­când o tensiune între electrozii metalici din tub, se va produce o descărcare electrică în gaz (fig. 9a). Prin intermediul unui spectroscop, se obţine spectrul hidro­genului (fig. 9b). Înlocuind tubul Geissler cu o lampă cu vapori de mercur sau de sodiu, se obţin spectrele de emisie ale mercurului sau sodiului

Fig. 9. Tub Geissler. Introducând hidrogen la presiune scăzută într-un astfel de tub şi producând un arc electric între electrozii metalici se poate evidenţia, prin intermediul unui spectroscop (a), spectrul de absorbţie (b) şi cel de emisie al hidrogenului, (c).

Spectrele de absorbţie sunt constituite întotdea­una din aceleaşi linii, fiind caracteristice fiecărui element. Ele corespund emisiei sau absorbţiei unei radiaţii electromagnetice cvasimonocromatice. După cum se observă, în spectrul de emisie al hidrogenului (Fig.8c), apar patru linii situate la 656,3 nm, 486,1 nm, 434 nm şi 410,2 nm. Datorită stricteţii valorilor acestor linii, se spune că ele sunt cuantificate. Aceleaşi patru linii apar şi în spectrul de absorbţie, dar de data aceasta ca linii negre, ceea ce semnifică lipsa din spectru a radiaţiilor cu lungimile de undă respective

unde R este constanta Rydberg, având valoarea 1,097·10⁷ m^-1 iar n este un număr natural cu valoare n > 2. Pentru n = 3, se obţine lungimea de undă a primei linii spectrale, pentru n = 4, a celei de a doua ş.a.m.d.

 
 Mai târziu, Lyman a găsit o formulă similară celei date de Balmer, care permite calcularea lungimilor de undă ale liniilor hidrogenului care apar în domeniul ultraviolet,

 

unde ni < nf, sunt numere întregi. În raport de valoarea lui ni, se obţine una sau alta din seriile spectrale ale hidrogenului. Faptul că fiecare element chimic prezintă o serie de linii caracteristice conduce la concluzia că spectrele de linii sunt corelate cu structura elementului respectiv.