Теория:
1. Поглощение и испускание света атомами
Для наглядного представления возможных энергетических состояний атомов используются диаграммы, на которых каждое стационарное состояние атома, характеризуемое определённой энергией, отмечается горизонтальной линией. Схематично основной энергетический уровень, соответствующий состоянию атома с минимальной энергией , показан на рисунке.
Все остальные энергетические уровни, кроме основного, являются возбуждёнными, что характеризует потенциальную способность электрона излучать (переход в состояние с меньшей энергией).
Атом любого химического элемента имеет набор дискретных энергетических уровней. Линии в спектре испускания, которые характеризуют конкретный химический элемент, будет отображать переход с высокого энергетического уровня на расположенный ниже или с низкого уровня на расположенный выше.
При переходе электрона между одними и теми же энергетическими уровнями поглощается (при переходе на верхний уровень) или испускается (при переходе на нижний уровень) одно и то же количество энергии, поэтому линии в спектрах излучения и поглощения совпадают.
2. Излучение и поглощение фотонов при переходе атома с одного уровня энергии на другой
Дискретность энергетических уровней сама по себе не объясняет, почему спектры имеют вид отдельных линий. Ответ на этот вопрос даёт постулат Бора о кантовании: при переходе атома из одного стационарного состояния \(E_m\) в другое \(E_n\) испускается или поглощается один квант электромагнитного излучения — фотон.
Энергия одного фотона строго равна модулю разности энергий уровней, между которыми происходит переход:
, где
Дж·с — постоянная Планка,
\(\nu\) — частота излучения.
Поскольку разность энергий \(\Delta E\) для конкретной пары уровней всегда одинакова, частота излучения принимает строго определенное значение. Именно поэтому в спектре мы видим не сплошную радужную полосу, а отдельные цветные линии. Каждая такая линия в спектре испускания соответствует перехода с более высокого уровня на один из нижележащих. Например, при переходе с \(E_3\) на \(E_2\) атом излучает фотон, частота которого принадлежит видимой (или инфракрасной) области спектра. Совокупность всех возможных переходов формирует уникальный "паспорт" химического элемента, что позволяет учёным определить состав звёзд и веществ по их спектрам.