발광 스펙트럼

금속 할로겐화물 램프의 발광 스펙트럼.

염수가 있는 심지를 이용한 589nm₂ D(왼쪽) 및 590nm₁ D(오른쪽) 배출 나트륨 라인 시연

화학 원소 또는 화합물의 방출 스펙트럼은 높은 에너지 상태에서 낮은 에너지 상태로 이행하는 전자에 의해 방출되는 전자파 방사 주파수의 스펙트럼이다.방출된 광자의 광자 에너지는 두 상태 사이의 에너지 차이와 같다.각 원자에는 많은 전자 전이가 있으며, 각각의 전이는 특정한 에너지 차이를 가지고 있습니다.서로 다른 방사 파장으로 이어지는 이러한 다른 전이의 집합은 방출 스펙트럼을 구성합니다.각 원소의 방출 스펙트럼은 고유합니다.따라서 스펙트럼 분석을 통해 미지의 성분에서 원소를 식별할 수 있다.마찬가지로 분자의 방출 스펙트럼은 물질의 화학적 분석에 사용될 수 있다.

배출.

물리학에서 방출은 입자의 높은 에너지 양자역학적 상태가 광자의 방출을 통해 낮은 에너지로 변환되어 빛을 내는 과정이다.방출되는 빛의 주파수는 전환 에너지의 함수입니다.

에너지가 보존되어야 하기 때문에, 두 상태 사이의 에너지 차이는 광자에 의해 전달되는 에너지와 같다.전환의 에너지 상태는 매우 광범위한 주파수에 걸쳐 방출로 이어질 수 있습니다.예를 들어, 가시광선은 원자와 분자의 전자 상태 결합에 의해 방출된다(그러면 그 현상을 형광 또는 인광이라고 한다).한편, 핵 셸 천이는 높은 에너지 감마선을 방출하는 반면, 핵 스핀 천이는 낮은 에너지 전파를 방출한다.

물체의 방출량은 물체에 의해 방출되는 빛의 양을 수량화한다.이는 스테판-볼츠만의 법칙을 통해 물체의 다른 특성과 관련이 있을 수 있다.대부분의 물질에서 방출량은 물체의 온도와 분광 조성에 따라 달라지며 색온도와 방출선이 나타난다.여러 파장에서 정밀하게 측정하면 방출 분광법을 통해 물질을 식별할 수 있습니다.

방사선의 방출은 일반적으로 반고전적 양자역학을 사용하여 설명된다: 입자의 에너지 수준과 간격은 양자역학에서 결정되며, 빛은 시스템의 고유 주파수와 공명할 경우 전이를 유도할 수 있는 진동 전장으로 취급된다.양자역학 문제는 시간 의존적인 섭동 이론을 사용하여 다루어지며 페르미의 황금률로 알려진 일반적인 결과로 이어진다.대부분의 실용적인 계산에서는 반고전적인 버전이 계속 더 유용하지만, 이 기술은 양자 전기역학으로 대체되었다.

오리진스

예를 들어, 원자의 전자가 가열됨으로써 들뜨면, 추가 에너지는 전자를 더 높은 에너지 궤도로 밀어냅니다.전자가 다시 떨어져 들뜬 상태를 벗어나면 에너지는 광자의 형태로 재방출된다.광자의 파장(또는 동등한 주파수)은 두 상태 사이의 에너지 차이에 의해 결정됩니다.방출된 광자는 원소의 스펙트럼을 형성합니다.

원소의 원자 방출 스펙트럼에서 특정 색상만 나타난다는 것은 특정 주파수의 빛만 방출된다는 것을 의미합니다.각 주파수는 다음 공식에 의해 에너지와 관련이 있습니다.

E_{\text{photon}}=h\nu,

E_{\text{photon}}

서 E

E_{\text{photon}}

광자(\

displaystyle E_{\text{photon}})

는

E_{\text{photon}}

광자의 에너지,

(\displaystyle\nu)

는

\nu

주파수,

h

(\

displaystyle

h

)

는

h

플랑크의 상수이다.이것은 특정 에너지를 가진 광자만이 원자에 의해 방출된다는 결론이다.원자 방출 스펙트럼의 원리는 네온사인의 다양한 색상과 화학적 불꽃 테스트 결과(아래 설명)를 설명한다.

원자가 방출할 수 있는 빛의 주파수는 전자가 있을 수 있는 상태에 따라 달라집니다.들뜨면 전자는 더 높은 에너지 수준이나 궤도로 이동한다.전자가 지면 레벨로 떨어지면 빛이 방출됩니다.

수소 방출 스펙트럼

위 그림은 수소에 대한 가시광선 방출 스펙트럼이다.만약 수소 원자가 단 한 개만 존재한다면, 주어진 순간에 단 하나의 파장만 관측될 것이다.샘플이 다른 초기 에너지 상태에 있고 다른 최종 에너지 상태에 도달하는 많은 수소 원자를 포함하고 있기 때문에 가능한 방출 중 몇 가지가 관찰됩니다.이러한 다른 조합에 의해, 다른 파장에서 동시에 방출됩니다.

철의 방출 스펙트럼

분자로부터의 방사선

위에서 설명한 전자 천이뿐만 아니라 분자의 에너지도 회전, 진동 및 진동(진동 및 전자 결합) 천이를 통해 변할 수 있습니다.이러한 에너지 전환은 종종 스펙트럼 밴드라고 알려진 많은 다른 스펙트럼 라인의 밀접하게 간격을 둔 그룹으로 이어진다.분해되지 않은 대역 스펙트럼은 스펙트럼 연속체로 나타날 수 있다.

발광 분광법

빛은 서로 다른 파장의 전자기 방사선으로 구성되어 있다.따라서, 원소나 그 화합물이 불꽃이나 전기 아크에 의해 가열될 때, 그것들은 빛의 형태로 에너지를 방출합니다.분광기의 도움을 받아 이 빛을 분석하면 불연속 스펙트럼을 얻을 수 있다.분광기 또는 분광계는 파장이 다른 빛의 성분을 분리하는 데 사용되는 기구이다.스펙트럼은 라인 스펙트럼이라고 불리는 일련의 행에 표시됩니다.이 선 스펙트럼은 원소 형태의 원자에서 기원할 때 원자 스펙트럼이라고 불립니다.각 원소는 다른 원자 스펙트럼을 가지고 있다.원자의 원자에 의한 선 스펙트럼의 생성은 원자가 특정 양의 에너지만 방출할 수 있음을 나타냅니다.이것은 결합된 전자가 단지 어떤 양의 에너지를 가질 수 없고 특정한 양의 에너지만을 가질 수 없다는 결론으로 이어진다.

방출 스펙트럼은 주기율표의 각 원소에 따라 다르기 때문에 물질의 구성을 결정하는 데 사용될 수 있다.한 가지 예는 천체 분광학입니다. 즉, 수신된 빛을 분석하여 별의 구성을 확인하는 것입니다.일부 원소의 방출 스펙트럼 특성은 이러한 원소를 가열할 때 육안으로 분명히 볼 수 있다.예를 들어 백금선을 질산나트륨 용액에 담갔다가 화염에 넣으면 나트륨 원자가 황색을 발한다.마찬가지로 인듐을 불꽃에 넣으면 불꽃이 파란색으로 변한다.이러한 명확한 특성은 원소를 원자 방출 스펙트럼으로 식별할 수 있게 한다.스펙트럼에는 자외선과 적외선이 포함되어 있기 때문에 모든 방출된 빛이 육안으로 감지되는 것은 아닙니다.분광기를 통해 들뜬 가스를 직접 볼 때 발광 스펙트럼이 형성된다.

자연방출 개략도

발광 분광법은 원자나 분자가 들뜬 상태에서 낮은 에너지 상태로 이행하는 동안 방출되는 광자의 파장을 조사하는 분광 기술이다.각 소자는 그 전자구조에 따라 고유 세트의 이산 파장을 방출하고 이들 파장을 관찰함으로써 시료의 원소조성을 결정할 수 있다.19세기 후반에 개발된 발광 분광법과 원자 방출 스펙트럼의 이론적 설명에 대한 노력은 결국 양자 역학을 이끌었다.

원자를 들뜬 상태로 만들 수 있는 방법은 여러 가지가 있다.전자파 방사와의 상호작용은 형광 분광학, 입자 유도 X선 방출의 양성자 또는 기타 무거운 입자와 에너지 분산 X선 분광학 또는 X선 형광의 전자 또는 X선 광자에 사용된다.가장 간단한 방법은 시료를 고온으로 가열하고 그 후 시료 원자 간의 충돌로 들뜸이 발생하는 것입니다.이 방법은 불꽃 방출 분광학에서 사용되며,^[1] 1850년대에 앤더스 요나스 옹스트롬이 이산 방출선 현상을 발견했을 때 사용했던 방법이기도 하다.

방출선은 양자화된 에너지 상태 간의 전환에 의해 발생하며 처음에는 매우 선명해 보일 수 있지만, 한정된 폭을 가지고 있습니다. 즉, 두 개 이상의 파장의 빛으로 구성됩니다.이러한 스펙트럼 선 확대에는 여러 가지 원인이 있다.

방출 분광법은 방출되는 물질의 빛 특성 때문에 종종 광학 방출 분광학이라고 불립니다.

역사

1756년 Thomas Melvill은 알코올 ^[2]화염에 소금을 첨가할 때 뚜렷한 색상의 패턴을 방출하는 것을 관찰했다.1785년까지 제임스 그레고리는 회절격자의 원리를 발견했고 미국 천문학자 데이비드 리튼하우스는 최초의 공학 ^[3]^[4]회절격자를 만들었다.1821년 요제프 폰 프라운호퍼는 스펙트럼 분해능을 향상시키고 분산된 파장을 ^[5]정량화할 수 있는 파장 분산원으로서 프리즘을 대체하는 중요한 실험 도약을 굳혔다.

1835년, 찰스 휘트스톤은 불꽃의 방출 스펙트럼에서 밝은 선으로 다른 금속들을 구별할 수 있다고 보고했고, 따라서 불꽃 분광학의 ^[6]^[7]대안을 도입했다.1849년, J. B. L. 푸코는 같은 파장의 흡수선과 방출선이 모두 같은 물질에 기인하며, ^[8]^[9]광원의 온도에서 비롯된 두 가지 차이인 것을 실험적으로 증명했다.1853년 스웨덴의 물리학자 안데르스 요나스 옹스트롬은 가스 ^[10]스펙트럼에 대한 관측과 이론을 발표했다.옹스트롬은 백열 가스가 흡수할 수 있는 파장과 동일한 파장의 광선을 방출한다고 가정했다.동시에 George Stokes와 William Thomson(Kelvin)은 유사한 ^[8]가설에 대해 논의하고 있었다.또한 옹스트롬은 나중에 발머 ^[11]^[12]선으로 명명된 수소의 방출 스펙트럼을 측정했다.1854년과 1855년에 David Alter는 발머 수소 ^[13]^[14]라인의 독립적인 관측을 포함하여 금속과 가스의 스펙트럼에 대한 관측 결과를 발표했다.

1859년, 구스타프 키르히호프와 로버트 분젠은 몇몇 프라운호퍼 선(태양 스펙트럼의 선)이 가열된 ^[15]^[16]원소의 스펙트럼에서 확인된 특징적인 방출 선과 일치한다는 것을 알아냈다.태양 스펙트럼의 어두운 선은 태양 ^[17]대기의 화학 원소에 의한 흡수에 의해 발생한다고 정확하게 추론되었다.

불꽃방출분광학 실험기법

분석 대상 물질이 포함된 용액은 버너로 흡입되어 미세한 스프레이로 화염에 분산됩니다.용매는 먼저 증발하고, 미세하게 분할된 고체 입자는 기체 원자와 이온이 생성되는 화염의 가장 뜨거운 영역으로 이동합니다.여기서 전자는 위에서 설명한 것처럼 들뜬다.단색기를 사용하면 쉽게 검출할 수 있습니다.

간단한 수준에서 불꽃과 금속염 샘플만을 사용하여 불꽃 방출 분광법을 관찰할 수 있다.이 정성적 분석 방법은 불꽃 테스트라고 불립니다.예를 들어, 화염에 놓인 나트륨 소금은 나트륨 이온에서 노란색으로 빛나는 반면 스트론튬(도로 플레어에 사용됨) 이온은 그것을 빨간색으로 칠합니다.구리 와이어는 파란색 불꽃을 만들지만 염화물 존재에서는 녹색을 생성합니다(CuCl에 의한 분자 기여).

배출계수

방출계수는 전자기원의 단위시간당 출력계수로서 물리학에서 계산된 값입니다.가스의 방출 계수는 빛의 파장에 따라 달라집니다.단위는⁻³⁻¹ ^[18]mssr 입니다.또한 생성된 전력의 MWh당 환경 배출량(질량 기준) 측정값으로도 사용됩니다(배출 계수 참조).

빛의 산란

톰슨 산란에서는 하전 입자가 입사광 아래에서 방사선을 방출한다.이 입자는 일반적인 원자 전자일 수 있기 때문에 방출 계수는 실제로 적용된다.

단위시간당 파장 $θ$ 와 $θ$ + $dθ$ 사이의 고체각 DΩ으로 산란된 에너지가 X $dV$ 일 $경우$ 방출계수는 $X$ 이다.

Thomson 산란에서의 X $값$ 은 입사 플럭스, 하전 입자의 밀도 및 Thomson 미분 단면(면적/고체 각도)을 통해 예측할 수 있습니다.

자연 방출

온수 발광 광자는 그 온도 및 전출력 방사선에 관한 단색 발광 계수를 가진다.이것은 때때로 제2의 아인슈타인 계수라고 불리며 양자역학 이론에서 추론할 수 있다.

「」를 참조해 주세요.

흡수 분광법
흡수 스펙트럼
원자 스펙트럼선
전자기 분광법
가스방전등, 가스방전등의 발광스펙트럼표
이성체 이동
동위원소 이동
발광 계수
플라즈마 물리학
리드버그 공식
스펙트럼 이론
다이오드 방정식에는 방출 계수가 포함됩니다(여기에서 설명하는 것과 관련이 없음).
열전자 방출

레퍼런스

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외부 링크

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[16] Ångström, A.J. (1855a). "Optische Untersuchungen" [Optical investigations]. Annalen der Physik und Chemie (in German). 94: 141–165.

[17] Ångström, A.J. (1855b). "Optical researches". Philosophical Magazine. 4th series. 9: 327–342. doi:10.1080/14786445508641880.

[Wagner_letter-11] Wagner, H. J. (2005). "Early Spectroscopy and the Balmer Lines of Hydrogen". Journal of Chemical Education. 82 (3): 380. Bibcode:2005JChEd..82..380W. doi:10.1021/ed082p380.1.

[12] (옹스트롬, 1852), 페이지 352; (옹스트롬, 1855b), 페이지 337.

[Retcofsky_letter-13] Retcofsky, H. L. (2003). "Spectrum Analysis Discoverer?". Journal of Chemical Education. 80 (9): 1003. Bibcode:2003JChEd..80.1003R. doi:10.1021/ed080p1003.1.

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[22] Alter, David (1854). "On certain physical properties of light, produced by the combustion of different metals, in the electric spark, refracted by a prism". The American Journal of Science and Arts. 2nd series. 18: 55–57.

[23] Alter, D. (1855). "On certain physical properties of the light of the electric spark, within certain gases, as seen through a prism". The American Journal of Science and Arts. 2nd series. 19: 213–214. 수소의 광학 스펙트럼에 대한 Alter의 관찰은 페이지 213에 나타난다.

[15] 참조:
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[25] 구스타프 키르히호프(1859년) "프라운호퍼의 선에 따라" (프라운호퍼의 선에 따라), 모나츠베리히트 데 쾨니글리첸 프리셰 아카데미 데 비센샤프텐 주 베를린 (베를린–662년 베를린 왕립 프러시아 과학 아카데미 월간 보고서)

[26] Gustav Kirchhhoff(1859) "Uber das Sonnenspektrum"(태양의 스펙트럼에 대하여), Verhandlungen des Naturhistorischorisch-medizinischen vereins zu Heidelberg(하이델베르크 자연사/의학회 진행), 1(7) 25-155.

[16] G. Kirchhoff (1860). "Ueber die Fraunhofer'schen Linien". Annalen der Physik. 185 (1): 148–150. Bibcode:1860AnP...185..148K. doi:10.1002/andp.18601850115.

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[18] Carroll, Bradley W. (2007). An Introduction to Modern Astrophysics. CA, USA: Pearson Education. p. 256. ISBN 978-0-8053-0402-2.

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v t 분광학
진동	FT-IR 라만 공명 라만 회전 회전 진동 진동 진동원형 이색성 핵공명진동분광학
UV-Vis-NIR	자외선-가시 가능 형광 바이브로닉 근적외선 REMPI(Resonance Enhanced Multiphoton Ionization) 라만 광학 활성 분광법 라만 분광학 레이저에 의해 유도되다
X-ray 및 광전자	에너지 분산형 X선 분광법 광전자 아토믹 배출. X선 광전자 분광법 EXAFS
핵자	감마 뫼스바우어
라디오웨이브	NMR 테라헤르츠 ESR/EPR 강자성 공명
다른이들	음향 공명 분광법 오거 분광법 천체 분광학 캐비티 링다운 분광법 원형 이색성 분광법 코히런트 반스토크스 라만 분광법 냉증기 원자 형광 분광법 변환전자 뫼스바우어 분광법 상관분광학 심층 과도 분광법 이중 편파 간섭계 전자현상분광학 EPR 분광법 힘분광학 푸리에 변환 분광법 글로 방전 광학 발광 분광법 입자 분광 법 Hyperspectral 영상 전자 터널 분광 법 비탄성 비탄성 중성자 산란 분해 분광 법 Laser-induced 뫼스 바우어 분광. 중성자 별 중에서 스핀 메아리 Photoacoustic 분광 법 광전자 분광학 Photothermal 분광 법 Pump–probe 분광 법 분광 Saturated 터널 분광 법 검사 분광 광도 법 분광 Time-resolved Time-stretch 열적외선 분광법 비디오 분광법 선형 분자의 진동 분광법
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