Elke chemische stof en atoomtype heeft een kenmerkend stel spectraallijnen. Zo geven spectraallijnen een soort vingerafdruk van de bijbehorende stof of het atoomtype.
De reden hiervan is dat
elektronen
in een bepaalde stof alleen heel specifieke
energieniveaus
kunnen hebben. Als er een invallend
foton
een energie, dus een golflengte, heeft die overeenkomt met het verschil tussen twee energieniveaus, zal het geabsorbeerd worden en is er voor die golflengte een absorptielijn. Omgekeerd zal, als het elektron weer terugvalt, weer een foton met die specifieke energie uitgezonden worden, dus is er een emissielijn.
Verschillende omstandigheden hebben invloed op de spectraallijnen:
- Zuivere spectraallijnen ontstaan bij losse
atomen
of
moleculen
, of in gassen waarin de atomen of moleculen elkaar niet beinvloeden.
- Bij gassen onder hogere druk zullen de energieniveaus beinvloed worden, waardoor de spectraallijnen iets verschuiven. Over het algemeen wordt een spectraallijn breder naarmate de druk hoger is.
- Het
zeemaneffect
is het verschijnsel dat in een sterk
magnetisch veld
spectraallijnen worden gesplitst .
- Als de
materie
die de spectraallijnen uitzendt, zich beweegt van de waarnemer af of naar hem toe, verschuiven de spectraallijnen door het
dopplereffect
naar langere en naar kortere golflengtes, dus meer naar rood respectievelijk blauw. Verschuiving naar het rood wordt
roodverschuiving
genoemd.
- De individuele atomen of moleculen bewegen zich in gassen op hoge temperatuur bewegen en verschuiven de spectraallijnen door het dopplereffect.
Door nauwkeurige waarneming van de spectraallijnen kan daarom veel afgeleid worden over de omstandigheden ter plaatse, en
spectroscopie
is dan ook een belangrijk analysemiddel.
Vooral in de
astronomie
, waar de fysieke toegang tot het onderwerp onmogelijk is, is spectroscopie een onmisbaar hulpmiddel. Sterren worden dan ook ingedeeld naar hun
spectraalklasse
, en door middel van de
roodverschuiving
is aangetoond dat het
heelal
uitdijt.
Astronomen
gebruiken vaak
filters
,
prisma's
of
tralies
om naar telkens een spectraallijn te kijken om daaruit dingen te meten waarvoor de spectraallijn gevoelig is.
Emissie- en absorptielijnen
bewerken
De
frequenties
van het
waterstofspectrum
worden door de
Rydberg-formule
gegeven.
Fraunhoferlijnen
zijn
absorptielijn
in een
absorptiespectrum
.
De straling van een atomaire spectraallijn kan uitgedrukt worden met behulp van een
emissiecoefficient
die een dimensie heeft van energie per tijd, volume en ruimtehoek. De energie die uitgestraald wordt door een volume-element
gedurende een tijd
in een bundel met
ruimtehoek
is:
-
Er geldt:
-
met
de dichtheid van de stralende atomen, en
de Einstein-coefficient voor spontane emissie, die vastligt voor elk paar energieniveaus. Volgens de
wet van Kirchhoff
is de absorptie van een atoom nauw verbonden met de emissie. De absorptiecoefficient
heeft een
dimensie
van 1 / lengte.
geeft het deel van de intensiteit die geabsorbeerd wordt bij een frequentie
over een afstand
in een absorberend stof. De absorptiecoefficient wordt gegeven door:
-
met
de spectrale stralingsintensiteit bij een frequentie
,
de dichtheid van de absorberende atomen op het lage energieniveau,
de dichtheid van de atomen op het hoge energieniveau van waaruit spontane emissie kan plaatsvinden, en
en
de Einstein-coefficienten voor respectievelijk de absorptie en geinduceerde emissie. Net als de coefficient
zijn deze constant voor elk tweetal energieniveaus.
Als er
lokaal thermodynamisch evenwicht
heerst, kunnen de dichtheden van de atomen, zowel van aangeslagen atomen als die in de
grondtoestand
, berekend worden aan de hand van de
Maxwell-Boltzmann-verdeling
, maar in andere gevallen, bijvoorbeeld
lasers
, wordt de berekening ingewikkelder.
De genoemde vergelijkingen gaan niet in op het belang van de vorm (profiel) van de spectrale lijn. Ze kunnen uitgebreid worden door vermenigvuldiging met een formule voor het genormaliseerde spectrale profiel.
- Het element
helium
is ontdekt doordat in het spectrum van de
zon
onbekende lijnen voorkwamen. Men trok terecht de conclusie dat het om een tot dan toe onbekend element moest gaan en noemde het element naar de zon, naar de Griekse zonnegod
Helios
. Pas later werd de aanwezigheid ervan op aarde ook aangetoond.
- De
streepjescode
zou van het principe van spectraallijnen zijn afgeleid. Hoewel zowel spectrum als streepjescode ter identificatie kunnen dienen hebben ze verder echter niets met elkaar te maken.