2.5. Atomski spektri

Opisuje svojstva elektromagnetskih valova te međudjelovanje elektromagnetskoga zračenja i tvari.
Izvodi pokus i zaključuje kako atomi emitiraju svijetlost.
Razlikuje emisijske od apsorpcijskih spektara.
Povezuje opažene atomske spektre s elektronskim prijelazima.
Zna odrediti energiju određenog elektronskog prijelaza iz položaja spektralnih linija.
Rješava zadatke koristeći se jednostavnim matematičkim izrazima i izvodi mjerenja i/ili postupke koji su dio pokusa.
Prikazuje podatke prikupljene pokusima i/ili radom na tekstu, novim tekstom, tablicama i grafovima.
Interpretira različite vrste brojčanih, tabličnih i grafičkih podataka te prenosi jednu vrstu prikaza u drugu.
Istražuje primjenu spektroskopije u znanosti i tehnologiji.
Poznaje primjenu atomske spektroskopije u astronomiji.

Uvod

U poglavlju o kvantnomehaničkoj strukturi atoma rečeno je sve što je potrebno za osnovno razumijevanje mehanizama nastanka i interpretaciju atomskih spektara. Ovdje to nećemo ponavljati, ali ćemo se usmjeriti na praktične aspekte tog važnog niza analitičkih metoda.

Osnove atomske spektroskopije

Što je atomska spektroskopija?

Atomska spektroskopija je niz eksperimentalnih metoda, koje se temelje na apsorpciji, emisiji i fluorescenciji atoma ili iona.

Dva područja elektromagnetskog spektra daju informacije o atomima: područje ultraljubičastog i vidljivog (UV/vis) zračenja te područje rentgenskih zraka. Spektri u UV/vis području se dobivaju prebacivanjem uzoraka u plinsko stanje odgovarajućim termičkim tretmanom, što zovemo atomizacijom. Kao što je ranije rečeno, plinoviti uzorci mogu emitirati ili apsorbirati svjetlost, a mogu i fluorescirati. Svi ti procesi mogu dati vrlo vrijedne kvalitativne i kvantitativne podatke o uzorku.

Emisijski i apsorpcijski atomski spektri

Emisijska i apsorpcijska atomska spektroskopija

Pridružite nazive elementima i zaključite koja je emisijska, a koja apsorpcijska spektroskopija.

Fotografija prikazuje emisijsku i apsorpcijsku atomsku spektroskopiju.

Video 1.

Atomska spektroskopija

0

U izvedbenom smislu, emisijska i apsorpcijska spektroskopija su konceptualno slične. Razlika je u načinu dobivanja spektara. Kod emisijske spektroskopije snimamo spektar atomiziranog uzorka i dobivamo spektar, koji se sastoji od nekoliko svjetlih linija. Kod apsorpcijske spektroskopije propuštamo svjetlost iz izvora kroz atomizirani uzorak te snimamo prolaznu svjetlost. Rezultat je kontinuirani spektar s nizom tamnih linija.

Kod emisijske spektroskopije uzorak je potrebno zagrijati na znatno više temperaturure u odnosu na apsorpcijsku spektroskopiju.

U izvedbenom smislu, emisijska i apsorpcijska spektroskopija su konceptualno slične.

Razlika je u načinu dobivanja spektara.

Kod emisijske spektroskopije snimamo spektar atomiziranog uzorka i dobivamo spektar.

Taj spektar se sastoji od nekoliko svjetlih linija.

Kod apsorpcijske spektroskopije propuštamo svjetlost iz izvora

kroz atomizirani uzorak te snimamo prolaznu svjetlost.

Rezultat je kontinuirani spektar s nizom tamnih linija.

Kod emisijske spektroskopije je potrebno uzorak zagrijati

na znatno više temperaturure u odnosu na apsorpcijsku spektroskopiju.

I emisijski i apsorpcijski spektri u principu daju istu informaciju:

položaji svjetlih ili tamnih linija direktan su odraz

razlike energijskih razina zastupljenih atoma.

Energija svjetlosti i bilo koje linije u atomskim spektrima je dana izrazom:

$\mathit{E}=\mathit{h\nu }=\frac{\mathit{hc}}{\mathit{\lambda }}$

a ta energija odgovara razlici između energijskih razina u atomu:

$\mathit{E} = \mathit{E}_{2} - \mathit{E}_{1}$

Dakle:

$\mathit{\lambda }=\frac{\mathit{hc}}{\mathit{E}_2-\mathit{E}_1}$

Analizom položaja linija možemo dobiti kvalitativnu informaciju o sastavu uzorka.

Mjerenje intenziteta linija daje kvantitativnu informaciju,

tj. koncentracije pojedinačnih elemenata.

I emisijski i apsorpcijski spektri u principu daju istu informaciju: položaji svjetlih ili tamnih linija direktan su odraz razlike energijskih razina zastupljenih atoma. Naime, energija svjetlosti, dakle i bilo koje linije u atomskim spektrima, je dana izrazom:

$\mathit{E}=\mathit{h\nu }=\frac{\mathit{hc}}{\mathit{\lambda }}$

a ta energija odgovara razlici između energijskih razina u atomu:

$\mathit{E} = \mathit{E}_{2} - \mathit{E}_{1}$

Dakle:

$\mathit{\lambda }=\frac{\mathit{hc}}{\mathit{E}_2-\mathit{E}_1}$

Analizom položaja linija možemo, dakle, dobiti kvalitativnu informaciju o sastavu uzorka, dok nam mjerenje intenziteta linija daje kvantitativnu informaciju, tj. koncentracije pojedinačnih elemenata.

Primjena

U znanosti i tehnologiji

Metode atomske spektroskopije široko se primjenjuju u kemijskoj analizi. Spomenuli smo da nam mjerenje položaja linija daje informaciju o kemijskom sastavu, dok iz intenziteta dobivamo koncentracije pojedinačnih elemenata.

Atomska apsorpcijska spektroskopija je osjetljiva metoda, kojom se može mjeriti više od 60 metala i polumetala. Spektri nemetala su obično smješteni u dalekom UV području, što stvara eksperimentalne probleme u primjeni metode.

Emisijska spektroskopija se najviše primjenjuje u određivanju alkalijskih i zemnoalkalijskih elemenata, a najširu primjenu je našla u analizi bioloških uzoraka. Metoda je, uz različitu uspješnost, primjenjiva za određivanje barem polovice elemenata periodnog sustava.

Te metode nalaze vrlo široku primjenu u geokemiji te analizi teških metala, njihovom unosu kroz hranu, kretanju u okolišu i sličnim procesima.

Atomski spektar emisije rentgenskih zraka (EDS) ljudskog dentina

Spektar daje mikroskopsku mapu zastupljenosti pojedinačnih elemenata. U lijevom stupcu su prikazane elektronske mikrofotografije, u sredini su EDS spektri, koji su prikaz intenziteta emitiranog rentgenskog zračenja nakon pobude snopom elektrona. Ta vrsta spektroskopije omogućuje kemijsku analizu vrlo sitnih (mikrometarskih) površina, pa samim time i kemijsko mapiranje uzorka. U desnom stupcu su tablični prikazi rezultata pojedinačne kemijske analize.

Izvor: C. Prati et al. Materials, 2019, 12, 25