Spettri di emissione (ESCQS)
Hai imparato precedentemente la struttura di un atomo. Gli elettroni che circondano il nucleo atomico sono disposti in una serie di livelli di energia crescente. Ogni elemento ha un numero unico di elettroni in una configurazione unica, quindi ogni elemento ha la sua serie distinta di livelli di energia. Questa disposizione dei livelli di energia serve come impronta digitale unica dell’atomo.
All’inizio del 1900, gli scienziati scoprirono che un liquido o un solido riscaldato ad alte temperature emetteva un’ampia gamma di colori di luce. Tuttavia, un gas riscaldato a temperature simili emetteva luce solo a certe specifiche lunghezze d’onda (colori). La ragione di questa osservazione non fu compresa all’epoca.
Gli scienziati studiarono questo effetto usando un tubo a scarica.
Figura 12.5: Schema di un tubo a scarica. Il tubo è riempito con un gas. Quando una tensione abbastanza alta è applicata attraverso il tubo, il gas si ionizza e si comporta come un conduttore, permettendo alla corrente di fluire attraverso il circuito. La corrente eccita gli atomi del gas ionizzato. Quando gli atomi ritornano allo stato di terra, emettono fotoni per portare via l’energia in eccesso.
Un tubo di scarica (mostrato nella Figura 12.5) è un tubo di vetro pieno di gas con una piastra metallica alle due estremità. Se viene applicata una differenza di tensione abbastanza grande tra le due piastre metalliche, gli atomi di gas all’interno del tubo assorbono abbastanza energia da far staccare alcuni dei loro elettroni, cioè gli atomi di gas vengono ionizzati. Questi elettroni iniziano a muoversi attraverso il gas e creano una corrente, che solleva alcuni elettroni in altri atomi a livelli di energia più elevati. Poi, quando gli elettroni negli atomi ricadono, emettono radiazioni elettromagnetiche (luce). La quantità di luce emessa a diverse lunghezze d’onda, chiamata spettro di emissione, è mostrata per un tubo di scarica pieno di idrogeno gassoso nella figura 12.6 qui sotto. Solo alcune lunghezze d’onda (cioè colori) della luce sono visibili, come mostrato dalle linee nella figura.
Figura 12.6: Schema dello spettro di emissione dell’idrogeno nello spettro visibile. Quattro linee sono visibili, e sono etichettate con le loro lunghezze d’onda. Le tre linee nell’intervallo \(\testo{400})-(\testo{500}) \(\testo{nm}) sono nella parte blu dello spettro, mentre la linea più alta (\(\testo{656}) \(\testo{nm}) è nella parte rosso/arancio.
Finalmente, gli scienziati hanno capito che queste linee provengono da fotoni di una specifica energia, emessi da elettroni che fanno transizioni tra specifici livelli energetici dell’atomo. La figura 12.7 mostra un esempio di ciò che accade. Quando un elettrone in un atomo cade da un livello di energia superiore ad un livello di energia inferiore, emette un fotone per portare via l’energia extra. L’energia di questo fotone è uguale alla differenza di energia tra i due livelli energetici (\(\Delta E\)).
Come abbiamo discusso in precedenza, la frequenza di un fotone è legata alla sua energia attraverso l’equazione \(E=hf\). Poiché una specifica frequenza (o lunghezza d’onda) del fotone ci dà un colore specifico, possiamo vedere come ogni linea colorata sia associata ad una specifica transizione.
Figura 12.7: Nel primo diagramma sono mostrati alcuni dei livelli di energia degli elettroni per l’atomo di idrogeno. Le frecce mostrano le transizioni degli elettroni da livelli di energia più alti a livelli di energia più bassi. Le energie dei fotoni emessi sono uguali alla differenza di energia tra due livelli energetici. Puoi pensare all’assorbimento come al processo opposto. Le frecce punterebbero verso l’alto e gli elettroni salterebbero a livelli più alti quando assorbono un fotone della giusta energia. La seconda rappresentazione mostra le lunghezze d’onda della luce emessa per le varie transizioni. Le transizioni sono raggruppate in una serie basata sul livello più basso coinvolto nella transizione.
La luce visibile non è l’unico tipo di radiazione elettromagnetica emessa. Transizioni più o meno energetiche possono produrre radiazioni ultraviolette o infrarosse. Tuttavia, poiché ogni atomo ha il suo insieme distinto di livelli energetici (la sua impronta digitale!), ogni atomo ha il suo spettro di emissione distinto.