Spettri di emissione degli atomi.
Volevo avere delucidazioni su una cosa che non ho ben capito a proposito degli spettri di emissione che caratterizzando i singoli elementi. Dunque, il processo vedrebbe la luce attraversare quantità di un elemento, e successivamente un prisma in grado di scomporre le radiazioni che l'oggetto di quell'elemento rifletterebbe. Le radiazioni emesse dall'oggetto sono pari a quelle capaci di "eccitare" gli elettroni dell' oggetto colpito dalla luce, cioè sono quelle capaci di permettere agli elettroni di un elemento di passare ad un livello energetico successivo. Ora, quello che mi chiedevo era la seguente cosa: qual è il comportamento vero e proprio degli elettroni all'interno dell'atomo? Vengono colpiti solo gli elettroni "esterni"? O solo quelli presenti singolarmente in un orbitale? Perchè non riesco a spiegarmi la presenza di più linee ad indicare lo spettro caratteristico di alcuni atomi, e al contrario, il comportamento di elementi come il sodio, che presentano nel loro spettro una sola linea.
Risposte
Quando avviene un fenomeno come quello da te descritto, devi pensare che hai tantissimissimi fotoni che vanno a colpire tutti gli elettroni di un sacco di atomi tutti uguali. Un elettrone che è colpito da un fotone (sarebbe meglio dire interasgisce con un fotone, visto che ne fotoni ne elettroni sono palline, però vabbè, ci intendiamo) ha davanti a se 2 possibilità: o lo assorbe e si eccita, oppure lo lascia andare via indisturbato. Intanto, come saprai, un elettrone legato ad un atomo può occupare soltanto degli stati con un energia ben defnita. Quindi può assorbire il fotone SOLO SE (condizione necessaria) quest'ultimo possiede un'energia che gli permetta di finire su uno stato permesso. Non basta. Ammesso che l'elettrone abbia l'energia giusta, bisogna anche vedere se il posto dove l'elettrone vorrebbe andare è libero o no, perchè se fosse occupato, a causa del principio di esclusione di Pauli, lui non ci potrebbe andare. Quindi può assorbire il fotone di energia giusta SOLO SE (altra condizione necessaria) il posto dove andrebbe è libero. Non basta ancora.. per motivi un po' particolari (e penso fuori dal tuo interesse), un elettrone colpito da un fotone con energia giusta per andare in un posto libero, ci può andare SOLO SE (essì, ancora condizione necessaria) i numeri quantici (penso tu sappia cosa sono: i vari l, m, j etc) dello stato di partenza e di arrivo dell'elettrone rispettano certe regole dette "regole di selezione". Bene.. se tutte queste regole sono rispettate, allora l'elettrone assorbisce il fotone? Non sempre... Questo perchè l'assorbimento e la conseguente eccitazione dell'elettrone è un fenomeno probabilistico che avviene con una certa probabilità (si dice che il processo possidede una certa cross section). Ad esempio se per una determinata transizione la probabilità che avvenga è del 1%, su 100 eventi che rispettano le 3 condizioni che ti ho detto prima, solo 1 si tramuterà in emissione. Questa probabilità varia anch'essa a seconda di come sono fatte le funzioni che descrivono gli stati iniziali e finali del viaggio che vorrebbe farsi l'elettrone.
Veniamo nel dettaglio alla tua domanda. Intanto mi pare di capire che tu sei interessato maggiormente alle emissioni nel visibile (ovvero emissione di luce colorata). Un elettrone, per poter assorbire un fotone visibile, deve almeno saltare di energia pari al rosso e al massimo può saltare di energia corrispondente al viola. Già qui potremmo fare delle considerazioni quantitative su quali tipi di transizioni diventano inaccessibili però preferisco evitarle a meno che tu non me le chieda esplicitamente... però ad esempio vedi che è difficile che un elettrone molto interno 1s salti e finisca in un posto di tipo 5p perchè il salto è troppo alto. Poi Come dicevamo i posti devono essere liberi, per cui ancora è molto difficile che in un atomo (sopratutto se abbastanza ciccione) un elettrone molto interno trovi posti liberi appena sopra di lui. poi ci sono le regole di selezione... un elettrone che sta su un livello s ad esempio può andare slo su un livello p e poi nemmeno sempre lo può fare... noterai che con tutte ste condizioni, negli atomi grossi, gli atomi interni vengono automaticamente tagliati fuori. Tutte le altre transizioni che invece rispettano le regole, saranno poi visibili su uno spettro di emissione... però... magari vi sono 2 transizioni che hanno una riga molto vicina e quindi al nostro occhio questa appare una sola (come nel caso del sodio).. e poi ancora magari una riga il nostro occhio non la vede poichè è debolissima (la probabilità che avvenga quella transizione è bassissima).
Le cose poi in realtà sono ancora un pochino + complesse di così, però spero che questo riesca un po' a chiarirti le idee...
Veniamo nel dettaglio alla tua domanda. Intanto mi pare di capire che tu sei interessato maggiormente alle emissioni nel visibile (ovvero emissione di luce colorata). Un elettrone, per poter assorbire un fotone visibile, deve almeno saltare di energia pari al rosso e al massimo può saltare di energia corrispondente al viola. Già qui potremmo fare delle considerazioni quantitative su quali tipi di transizioni diventano inaccessibili però preferisco evitarle a meno che tu non me le chieda esplicitamente... però ad esempio vedi che è difficile che un elettrone molto interno 1s salti e finisca in un posto di tipo 5p perchè il salto è troppo alto. Poi Come dicevamo i posti devono essere liberi, per cui ancora è molto difficile che in un atomo (sopratutto se abbastanza ciccione) un elettrone molto interno trovi posti liberi appena sopra di lui. poi ci sono le regole di selezione... un elettrone che sta su un livello s ad esempio può andare slo su un livello p e poi nemmeno sempre lo può fare... noterai che con tutte ste condizioni, negli atomi grossi, gli atomi interni vengono automaticamente tagliati fuori. Tutte le altre transizioni che invece rispettano le regole, saranno poi visibili su uno spettro di emissione... però... magari vi sono 2 transizioni che hanno una riga molto vicina e quindi al nostro occhio questa appare una sola (come nel caso del sodio).. e poi ancora magari una riga il nostro occhio non la vede poichè è debolissima (la probabilità che avvenga quella transizione è bassissima).
Le cose poi in realtà sono ancora un pochino + complesse di così, però spero che questo riesca un po' a chiarirti le idee...
Beh, ti ringrazio tantissimo. Davvero a una prima lettura (credo) di avere le idee un po' più chiare.
Solo una cosa volevo quindi chiedere, per completezza. Da quanto ho capito dalla tua descrizione (che è quello che mi interessa maggiormente) elettroni diversi di uno stesso atomo, eccitati da fotoni, seguono percorsi diversi, imprimendo la pellicola dello spettro in modi diversi (penso agli elettroni esterni di un atomo capaci di seguire percorsi di eccitazione diversi). Mi confermi quello che ho appena detto? Cioè, è proprio grazie a questa innumerevole presenza di atomi (o numerabile se si considerano moli specifiche di una sostanza) che ci sono moltissimi elettroni capaci di seguire percorsi di eccitazione diversi (Per determinate caratteristiche che tu stesso hai elencato)?
E poi, la capacità di dedurre un elemento da uno spettro è affidata solo all'esperienza(es.- si analizza il sodio la prima volta, si vede che lo spettro è in un certo modo, e si prende quella "misurazione" iniziale come campione per trovare il sodio successivamente), oppure dallo spettro è possibile dedurre, con una serie di considerazioni sulla natura delle caratteristiche dell'atomo(es. considerazione sui numeri quantici, analisi del comportamento degli elettroni più esterni, etc.), l'elemento in questione. Cioè, è possibile analizzando lo spettro, dedurre per via analitica le caratteristiche dell'atomo, o si è capaci soltanto di capire di che atomo si tratta?
Solo una cosa volevo quindi chiedere, per completezza. Da quanto ho capito dalla tua descrizione (che è quello che mi interessa maggiormente) elettroni diversi di uno stesso atomo, eccitati da fotoni, seguono percorsi diversi, imprimendo la pellicola dello spettro in modi diversi (penso agli elettroni esterni di un atomo capaci di seguire percorsi di eccitazione diversi). Mi confermi quello che ho appena detto? Cioè, è proprio grazie a questa innumerevole presenza di atomi (o numerabile se si considerano moli specifiche di una sostanza) che ci sono moltissimi elettroni capaci di seguire percorsi di eccitazione diversi (Per determinate caratteristiche che tu stesso hai elencato)?
E poi, la capacità di dedurre un elemento da uno spettro è affidata solo all'esperienza(es.- si analizza il sodio la prima volta, si vede che lo spettro è in un certo modo, e si prende quella "misurazione" iniziale come campione per trovare il sodio successivamente), oppure dallo spettro è possibile dedurre, con una serie di considerazioni sulla natura delle caratteristiche dell'atomo(es. considerazione sui numeri quantici, analisi del comportamento degli elettroni più esterni, etc.), l'elemento in questione. Cioè, è possibile analizzando lo spettro, dedurre per via analitica le caratteristiche dell'atomo, o si è capaci soltanto di capire di che atomo si tratta?
"turtle87":
Solo una cosa volevo quindi chiedere, per completezza. Da quanto ho capito dalla tua descrizione (che è quello che mi interessa maggiormente) elettroni diversi di uno stesso atomo, eccitati da fotoni, seguono percorsi diversi, imprimendo la pellicola dello spettro in modi diversi (penso agli elettroni esterni di un atomo capaci di seguire percorsi di eccitazione diversi). Mi confermi quello che ho appena detto? Cioè, è proprio grazie a questa innumerevole presenza di atomi (o numerabile se si considerano moli specifiche di una sostanza) che ci sono moltissimi elettroni capaci di seguire percorsi di eccitazione diversi (Per determinate caratteristiche che tu stesso hai elencato)?
diciamo di si.. ricorda però che anche uno stesso elettrone dopo essersi eccitato e poi diseccitato, può rieccitarsi su un livello diverso (seguendo un percorso diverso per dirla a modo tuo) e quindi riemettere un colore diverso rispetto al precedente... poi ricorda che il processo di eccitazione e diseccitazione dura pochissimo rispetto alle scale temporali con cui guardiamo noi uno spettro... vedila così: noi vediamo gli spettri con molte righe poichè abbiamo talmente tanti elettroni e talmente tanti fotoni ad energia diversa che, sulla scala dei tempi con cui osserviamo il fenomeno, se un evento soddisfa le regole dette sopra, allora avviene. Magari uno avviene meno frequentemente di un altro (e quindi la riga è più debole), ma avviene comunque.
"turtle87":
E poi, la capacità di dedurre un elemento da uno spettro è affidata solo all'esperienza(es.- si analizza il sodio la prima volta, si vede che lo spettro è in un certo modo, e si prende quella "misurazione" iniziale come campione per trovare il sodio successivamente), oppure dallo spettro è possibile dedurre, con una serie di considerazioni sulla natura delle caratteristiche dell'atomo(es. considerazione sui numeri quantici, analisi del comportamento degli elettroni più esterni, etc.), l'elemento in questione. Cioè, è possibile analizzando lo spettro, dedurre per via analitica le caratteristiche dell'atomo, o si è capaci soltanto di capire di che atomo si tratta?
Sicuramente la strada dell'esperienza è la + facile perchè te hai i computer coi mega database di spettri, ci butti il tuo e il computer ti dice tutto quello che vuoi.
Per il resto, uno spettro ci dice semplicemente a quali energie avvengono le transizioni permesse (senza però dirci QUALI sono queste transizioni). Quindi lo spettro va usato al contrario rispetto a quello che dici tu... tu PRIMA inventi il tuo modello atomico. Se questo è in grado di prevedere correttamente gli spettri che poi sperimentalmente ottieni davvero, allora è un buon modello. Altrimenti lo butti via o lo modifichi. E più o meno è quello che è successo storicamente per arrivare alle teorie che abbiamo ora. Oggigiorno comunque la struttura degli elettroni attorno all'atomo è compresa piuttosto bene e quindi gli spettri dovuti a transizioni di elettroni in un atomo non ci dicono + nulla di nuovo.
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