Spektrální čára

Spojité, emisní a absorpční spektrum

Spektrální čára (také diskrétní čára) je tmavá nebo světlá čára v jinak spojitém spektru. Soubor spektrálních čar vytváří čárové spektrum. Část tohoto spektra viditelná lidským okem je označována jako barevné spektrum. Spektrální čáry jsou charakterizovány vlnovou délkou, intenzitou a šířkou čáry.

Spektrální čáry vznikají emisí nebo absorpcí záření. Emise je výsledkem nadbytku a absorpce nedostatku fotonů v úzkém frekvenčním pásmu v porovnání s okolními frekvencemi pozorovaného paprsku.

Příčinou vzniku spektrálních čar jsou elektronové přechody v atomech nebo molekulách excitovaných světlem. Jsou charakteristické pro atomy a molekuly a používají se k jejich identifikaci. Pro svoji nezaměnitelnost se také nazývají otisky prstů. Například při spektroskopické analýze látek se neznámé otisky prstů porovnávají s otisky známých atomů a molekul.

Historie

Absorpční čáry byly ve spektru Slunce poprvé pozorovány v roce 1802 Williamem Hyde Wollastonem a v roce 1814 nezávisle na něm popsány Josephem von Fraunhoferem. Tyto tmavé čáry ve viditelné části elektromagnetického spektra a jejím blízkém okolí se po něm nazývají Fraunhoferovy čáry.
(c) JabberWok, CC BY-SA 3.0
Bohrův model atomu
Později bylo zjištěno, že pokles intenzity odpovídající Fraunhoferově čáře je způsoben absorpcí slunečního záření jednotlivými atomy prvků. Čáry A a B jsou způsobeny molekulami kyslíku v naší atmosféře, čára C je způsobena vodíkem, čáry D jsou způsobeny sodíkem, čáry H a K jsou způsobeny vápníkem.
Objev spektrálních čar přispěl k rozvoji kvantové mechaniky, neboť jejich existence se nedala vysvětlit klasickou elektrodynamikou. Ta tvrdila, že elektron vázaný v atomu může emitovat elektromagnetické vlny libovolných frekvencí. Spektrální čáry se podařilo vysvětlit až kvantovými čísly a vedlo k prvnímu kvantově mechanickému modelu atomu popsanému Niels Bohrem. V současnosti dokáže kvantová mechanika předpovědět spektrální čáry atomů s velmi vysokou přesností.
S dalším výzkumem vznikla spektroskopie, spektrální analýza, atomové spektroskopii (jako je spektroskopie nukleární magnetické rezonance) nebo barvení plamenem.
Analýza spektrálních čar je nepostradatelná v astronomii k identifikaci molekulární struktury hvězd, planet a mezihvězdné hmoty, což by jinak nebylo možné.

Vznik spektrálních čar

Spojité světelné spektrum tvořené fotony o různých vlnových délkách a energiích

Spektrální čára vzniká interakcí fotonu s valenčním elektronem atomu (molekuly).
K interakci mezi fotonem a atomem dojde pouze tehdy, pokud se energie fotonu rovná rozdílu mezi energiemi základního a excitovaného stavu atomu.
Přechod mezi těmito hladinami může nastat absorbováním fotonu a následně zpětnou emitací fotonu se stejnou energií.
Jednotlivé spektrální čáry pak mají vlnovou délku a energii odpovídají energetickému rozdílu mezi dvěma různými stavy daného atomu a jsou unikátní pro jednotlivé chemické prvky.
Emisní a absorpční čáry téhož prvku mají stejnou energii a vlnovou délku.

Emisní čára

Příklad emisních spektrálních čar

Emisní čára se ve spektru jeví jako jasná čára na černém podkladě.
Emisní spektrální čára vzniká tak, že určitá látka fotony příslušné frekvence emituje (vysílá).
K emisi dochází při přechodu z vyšší na nižší energetickou hladinu, například když elektron přechází z excitovaného stavu do základního stavu.
Emise může být spontánní nebo stimulovaná zářením příslušné frekvence.

Absorpční čára

Příklad absorpčních spektrálních čar

Absorpční čára se ve spektru nejčastěji jeví jako černá čára na barevném podkladě.
Absorpční spektrální čára vzniká tak, že určitá látka fotony příslušné frekvence absorbuje (pohlcuje).
K absorpci dochází při přechodu z nižší na vyšší energetickou hladinu, například když elektron přechází ze základního do excitovaného stavu.
K absorpci může dojít, pokud je látka ozářena zářením obsahujícím fotony příslušné frekvence.

Spektrální čáry prvků

V následující tabulce jsou pro každý prvek uvedeny spektrální čáry, které se objevují ve viditelném spektru při vlnové délce přibližně 400–700 nm. Vlnové délky či frekvence spektrálních čar jsou charakteristické pro konkrétní prvky. Toho se využívá při spektroskopických metodách, které jsou velmi citlivé i na nepatrná množství prvků.


Prvek	Atomové číslo	Symbol
vodík	1	H
helium	2	He
lithium	3	Li
beryllium	4	Be
bor	5	B
uhlík	6	C
dusík	7	N
kyslík	8	O
fluor	9	F
neon	10	Ne
sodík	11	Na
hořčík	12	Mg
hliník	13	Al
křemík	14	Si
fosfor	15	P
síra	16	S
chlor	17	Cl
argon	18	Ar
draslík	19	K
vápník	20	Ca
skandium	21	Sc
titan	22	Ti
vanad	23	V
chrom	24	Cr
mangan	25	Mn
železo	26	Fe
kobalt	27	Co
nikl	28	Ni
měď	29	Cu
zinek	30	Zn
gallium	31	Ga
germanium	32	Ge
arsen	33	As
selen	34	Se
brom	35	Br
krypton	36	Kr
rubidium	37	Rb
stroncium	38	Sr
ytrium	39	Y
zirkonium	40	Zr
niob	41	Nb
molybden	42	Mo
technecium	43	Tc
rubidium	44	Ru
rhodium	45	Rh
palladium	46	Pd
stříbro	47	Ag
kadmium	48	Cd
indium	49	In
cín	50	Sn
antimon	51	Sb
tellur	52	Te
jod	53	I
xenon	54	Xe
cesium	55	Cs
baryum	56	Ba
lanthan	57	La
cer	58	Ce
praseodym	59	Pr
neodym	60	Nd
promethium	61	Pm
samarium	62	Sm
europium	63	Eu
gadolinium	64	Gd
terbium	65	Tb
dysprosium	66	Dy
holmium	67	Ho
erbium	68	Er
thulium	69	Tm
ytterbium	70	Yb
lutecium	71	Lu
hafnium	72	Hf
tantal	73	Ta
wolfram	74	W
rhenium	75	Re
osmium	76	Os
iridium	77	Ir
platina	78	Pt
zlato	79	Au
rtuť	80	Hg
thallium	81	Tl
olovo	82	Pb
bismut	83	Bi
polonium	84	Po
astat	85	At
radon	86	Rn
francium	87	Fr
radium	88	Ra
aktinium	89	Ac
thorium	90	Th
protaktinium	91	Pa
uran	92	U
neptunium	93	Np
plutonium	94	Pu
americium	95	Am
curium	96	Cm
berkelium	97	Bk
kalifornium	98	Cf
einsteinium	99	Es