Спектры атомов и молекул

Примерная схема энергетических уровней атома представлена на рисунке.E_{электрона}=0
Рис. 1. Структура энергетических уровней атома (на примере водорода)
Поскольку энергетические уровни обратно пропорциональны квадрату квантового числа n², разность между каждыми двумя соседними уровнями по мере возрастания числа и по абсолютной величине уменьшается. Таким образом, по мере удаления от ядра разность между двумя соседними энергетическими уровнями атома убывает:
E₂ - E₁ > E₃ - E₂ > E₄ - E₃ ,. . .Стационарный уровень с наименьшей энергией называется основным, он соответствует состоянию атома, не подвергающегося никаким внешним воздействиям. Остальные стационарные уровни называются возбуждёнными.
Возбуждение атома, то есть переход электрона в состояние с большей энергией (Рис. 1., путь 1), требует сообщения атому дополнительной энергии и, следовательно, происходит в результате каких-либо внешних воздействий, например, при соударении частиц в процессе интенсивного теплового движения или при электрическом разряде в газах, при поглощении фотона электромагнитного излучения, в результате рекомбинации ионов в газе или электронов и дырок в полупроводнике, при действии на атом частиц радиоактивного излучения и т.д.
Возбужденное состояние неустойчиво, примерно через 10^-8сек электрон возвращается в основное квантовое состояние, при этом излучается фотон, уносящий дополнительную энергию, полученную при возбуждении, и атом переходит в основное состояние (Рис.1., путь 2).
Электрон может возвращаться на основную орбиту не только единым переходом, но и ступеньками через промежуточные уровни. В этом случае при переходе будет излучаться несколько фотонов (Рис. 1., путь 3) с частотами, соответствующими разности энергий этих уровней. 

В итоге каждый атом излучает строго определенный набор частот излучений, соответствующий разнице энергий между уровнями.

Зависимость величины излучаемой атомами или молекулами энергии от длины волны или частоты световой волны называется спектром испускания, а поглощаемой -спектром поглощения. 

Интенсивность спектральных линий определяется числом одинаковых переходов, происходящих в единицу времени, и поэтому зависит от количества излучающих (поглощающих) атомов и вероятности соответствующего перехода.

Атомными спектрами называют как спектры испускания, так и спектры поглощения, которые возникают при квантовых переходах между уровнями свободных или слабо взаимодействующих атомов. Атомные спектры линейчаты. 

Молекулярные спектры (испускания и поглощения) возникают при квантовых переходах молекул с одного энергетического уровня на другой и состоят из совокупности более или менее широких полос, которые представляют собой тесно расположенные линии. Сложность молекулярных спектров по сравнению с атомными обусловлена большим разнообразием движений и, следовательно, энергетических переходов в молекуле.

Спектры поглощения и испускания вещества являются источником информации о качественном составе (из каких молекул или атомов состоит вещество), количественном соотношении различных компонентов вещества, их состоянии и структурной организации.

В спектральном анализе используют как спектры испускания (эмиссионныйспектральный анализ), так и спектры поглощения (абсорбционный спектральный анализ).

В зависимости от энергии (частоты) фотона, испускаемого или поглощаемого атомом (или молекулой), классифицируют следующие виды спектроскопии: радио-, ИК, УФ, видимого излучения, рентгеновская.

По типу вещества источника спектра различают атомные, молекулярные спектры и спектры кристаллов.

В медицинских целях эмиссионный анализ служит в основном для определения микроэлементов в тканях организма, небольшого количества атомов металлов в консервированных продуктах с гигиенической целью, некоторых элементов в трупных тканях для целей судебной медицины и так далее.

Абсорбционные спектры широко используются в современных биохимических и биофизических работах.

Различают качественный (определение состава вещества) и количественный (определение концентраций соединений, входящих в данное вещество) спектральный анализ.