QUAL È LO SPETTRO DI EMISSIONE? (CON ESEMPI) - FISICO - 2025

Lo spettro di emissione è lo spettro delle lunghezze d'onda della luce emessa da atomi e molecole quando si effettua una transizione tra due stati energetici. La luce bianca o visibile che colpisce un prisma si scompone in diversi colori con lunghezze d'onda specifiche per ogni colore. Il modello di colori che si ottiene è lo spettro della radiazione visibile della luce chiamato spettro di emissione.

Atomi, molecole e sostanze hanno anche uno spettro di emissione dovuto all'emissione di luce quando assorbono la giusta quantità di energia dall'esterno per transitare tra due stati energetici. Facendo passare questa luce attraverso un prisma, si scompone in linee spettrali colorate con diverse lunghezze d'onda specifiche per ogni elemento.

L'importanza dello spettro di emissione è che permette di determinare la composizione di sostanze sconosciute e oggetti astronomici attraverso l'analisi delle loro righe spettrali utilizzando tecniche di spettroscopia di emissione.

Successivamente, viene spiegato in cosa consiste lo spettro di emissione e come viene interpretato, vengono citati alcuni esempi e le differenze esistenti tra lo spettro di emissione e lo spettro di assorbimento.

Cos'è uno spettro di emissione?

Gli atomi di un elemento o di una sostanza hanno elettroni e protoni tenuti insieme dalla forza di attrazione elettromagnetica. Secondo il modello di Bohr gli elettroni sono disposti in modo tale che l'energia dell'atomo sia la più bassa possibile. Questo livello di energia energetica è chiamato stato fondamentale dell'atomo.

Quando gli atomi acquisiscono energia dall'esterno, gli elettroni si muovono verso un livello di energia più alto e l'atomo cambia il suo stato fondamentale in uno stato eccitato.

Nello stato eccitato, il tempo di permanenza dell'elettrone è molto breve (≈ 10-8 s) (1), l'atomo è instabile e ritorna allo stato fondamentale, passando per livelli intermedi di energia, se necessario.

Figura 1. a) Emissione di un fotone dovuta alla transizione dell'atomo tra il livello di energia di eccitazione e il livello di energia fondamentale. b) emissione di fotoni dovuta alla transizione dell'atomo tra livelli energetici intermedi.

Nel processo di transizione da uno stato eccitato a uno stato fondamentale, l'atomo emette un fotone di luce con energia pari alla differenza di energia tra i due stati, essendo direttamente proporzionale alla frequenza e inversamente proporzionale alla sua lunghezza d'onda λ.

Il fotone emesso viene mostrato come una linea luminosa, chiamata linea spettrale (2), e la distribuzione di energia spettrale della raccolta di fotoni emessi alle transizioni dell'atomo è lo spettro di emissione.

Interpretazione dello spettro di emissione

Alcune delle transizioni dell'atomo sono causate da un aumento della temperatura o dalla presenza di altre fonti esterne di energia come un fascio di luce, un flusso di elettroni o una reazione chimica.

Se un gas come l'idrogeno viene posto in una camera a bassa pressione e una corrente elettrica viene fatta passare attraverso la camera, il gas emetterà luce con un proprio colore che lo differenzia dagli altri gas.

Facendo passare la luce emessa attraverso un prisma, invece di ottenere un arcobaleno di luce, si ottengono unità discrete sotto forma di linee colorate con lunghezze d'onda specifiche, che trasportano discrete quantità di energia.

Le righe dello spettro di emissione sono uniche in ogni elemento e il loro utilizzo dalla tecnica spettroscopica permette di determinare la composizione elementare di una sostanza sconosciuta così come la composizione di oggetti astronomici, analizzando le lunghezze d'onda dei fotoni emessi. durante la transizione dell'atomo.

Differenza tra spettro di emissione e spettro di assorbimento.

Nei processi di assorbimento ed emissione l'atomo ha transizioni tra due stati energetici ma è in assorbimento che guadagna energia dall'esterno e raggiunge lo stato di eccitazione.

La linea spettrale di emissione è opposta allo spettro continuo della luce bianca. Nel primo si osserva la distribuzione spettrale sotto forma di linee luminose e nel secondo si osserva una banda continua di colori.

Se un fascio di luce bianca colpisce un gas come l'idrogeno, racchiuso in una camera a bassa pressione, solo una parte della luce verrà assorbita dal gas e il resto verrà trasmesso.

Quando la luce trasmessa passa attraverso un prisma, si scompone in linee spettrali, ciascuna con una diversa lunghezza d'onda, formando lo spettro di assorbimento del gas.

Lo spettro di assorbimento è totalmente opposto allo spettro di emissione ed è anche specifico per ogni elemento. Confrontando entrambi gli spettri dello stesso elemento, si osserva che le righe spettrali di emissione sono quelle che mancano nello spettro di assorbimento (Figura 2).

Figura 2. a) Spettro di emissione eb) Spettro di assorbimento (Autore: Stkl. Fonte: https://commons.wikimedia.org/wiki/Main_Page)

Esempi di spettri di emissione di elementi chimici

a) Le linee spettrali dell'atomo di idrogeno, nella regione visibile dello spettro, sono una linea rossa di 656,3 nm, un azzurro di 486,1 nm, un blu scuro di 434 nm e un viola molto tenue di 410 nm. Queste lunghezze d'onda sono ottenute dall'equazione di Balmer-Rydberg nella sua versione moderna (3).

è il numero d'onda della riga spettrale

è la costante di Rydberg (109666,56 cm-1)

è il livello di energia più alto

è il livello di energia più alto

Figura 3. Spettro di emissione dell'idrogeno (Autore: Adrignola. Fonte: commons.wikimedia.org

b) Lo spettro di emissione dell'elio ha due serie di linee principali, una nella regione del visibile e l'altra vicino all'ultravioletto. Peterson (4) ha utilizzato il modello di Bohr per calcolare una serie di righe di emissione di elio nella porzione visibile dello spettro, come risultato di diverse transizioni simultanee di due elettroni allo stato n = 5, e ha ottenuto i valori della lunghezza d'onda coerente con i risultati sperimentali. Le lunghezze d'onda ottenute sono 468,8 nm, 450,1 nm, 426,3 nm, 418,4 nm, 412,2 nm, 371,9 nm.

c) Lo spettro di emissione del sodio ha due linee molto luminose di 589 nm e 589,6 nm chiamate linee D (5). Le altre linee sono molto più deboli di queste e, per scopi pratici, si considera che tutta la luce al sodio provenga dalle linee D.

Riferimenti

1. Misurazione delle vite di stati eccitati dell'atomo di idrogeno. VA Ankudinov, SV Bobashev e EP Andreev. 1, 1965, Soviet Physics JETP, Vol.21, pagg. 26-32.
2. Demtröder, W. Spettroscopia laser 1. Kaiserslautern: Springer, 2014.
3. DKRai, SN Thakur e. Atomo, laser e spettroscopia. Nuova Delhi: Phi Learning, 2010.
4. Rivisitazione di Bohr: modello e linee spettrali di elio. Peterson, C. 5, 2016, Journal of young investigators, Vol.30, pp. 32-35.
5. Giornale di educazione chimica. JR Appling, FJ Yonke, RA Edgington e S. Jacobs. 3, 1993, Vol.70, pagg. 250-251.