Linia widmowa to ciemna lub jasna linia w skądinąd jednolitym i ciągłym widmie elektromagnetycznym . Linie widmowe są wynikiem oddziaływania układu kwantowego (najczęściej atomów , ale czasem także molekuł lub jąder atomowych) z promieniowaniem elektromagnetycznym .
Linia widmowa jest zjawiskiem, którego nie podejrzewano aż do pierwszych badań z pryzmatami nad rozkładem światła. Pierwszą obserwacją linii spektralnej jest linia emisji sodu , którą przeprowadził Thomas Melvill w 1752 roku. Za pomocą pryzmatu obserwuje on światło soli rozgrzanych płomieniem i odkrywa intensywną linię., żółtą.
Odkrycie linii absorpcyjnych sięga XIX th wieku , w 1802 roku , kiedy William Hyde Wollaston w swoich badaniach na pryzmatach, czarne paski obserwowane w widmie światła zwykle ciągle rozkładowi. Linie te charakteryzują się tym, że nie zmieniają położenia niezależnie od pryzmatu i materiału. Joseph von Fraunhofer wykorzystuje tę obserwację do opracowania sposobu pomiaru długości fal, przyjmując te linie jako odniesienie. Gustav Robert Kirchhoff opracowuje w ten sposób system odniesień, wykorzystując najbardziej widoczne linie w widmie słonecznym i je numerując. Te linie odniesienia są następnie wykorzystywane do kalibracji przyrządów pomiarowych i spektroskopowych.
Podczas gdy Fraunhofer mierzy długości fal niektórych linii widmowych, to Anders Jonas Ångström określa długości fal prawie tysiąca linii absorpcyjnych za pomocą siatek dyfrakcyjnych w 1869 r., zastępując system linii Fraunhofera i numerację Kirchhoffa do 1890 r.
Po raz pierwszy nazwana analizą spektralną, badanie linii i długości fal widma stopniowo przekształciło się w „spektroskopię” w latach 80. XIX wieku.
W systemie kwantowym energia nie może przyjmować arbitralnych wartości: możliwe są tylko pewne bardzo precyzyjne poziomy energii. Mówimy, że energia układu jest skwantowana. Zmianom stanu odpowiadają zatem również bardzo precyzyjne wartości energii oznaczające różnicę energii pomiędzy poziomem końcowym a poziomem pierwotnym.
Jeżeli energia układu zmniejszy się o wielkość Δ E , kwant promieniowania elektromagnetycznego, zwany fotonem , zostanie wyemitowany z częstotliwością ν określoną zależnością Plancka-Einsteina : Δ E = hν gdzie h jest stałą Plancka . I odwrotnie, jeśli układ pochłonie foton o częstotliwości ν , jego energia wzrasta o wielkość hν . Ponieważ energia układu jest skwantowana, tak samo częstotliwość fotonów emitowanych lub pochłanianych przez układ. To wyjaśnia, dlaczego widmo systemu kwantowego składa się z zestawu dyskretnych linii, a nie z ciągłego widma, w którym wszystkie częstotliwości występują w różnych ilościach.
Gorący gaz chłodzi się poprzez emisję fotonów; obserwowane widmo składa się zatem z zestawu jasnych linii na ciemnym tle. Następnie mówimy o liniach emisyjnych (przykład obok). I odwrotnie, jeśli gaz jest zimny, ale oświetlony przez ciągłe źródło, absorbuje fotony, a widmo składa się z zestawu ciemnych linii na świecącym tle: mówimy wtedy o liniach absorpcyjnych .
Linie absorpcji i emisji są wysoce specyficzne dla każdej substancji i można je wykorzystać do łatwej identyfikacji składu chemicznego dowolnego medium zdolnego do przepuszczania światła (zwykle gazu). Zależą one również od warunków fizycznych gazu, dlatego są szeroko stosowane do określania składu chemicznego gwiazd i innych ciał niebieskich, których nie można analizować innymi sposobami, a także ich stanów fizycznych.
Mechanizmy inne niż oddziaływanie atom-foton mogą wytwarzać linie widmowe. W zależności od dokładnej interakcji fizycznej (z cząsteczkami, pojedynczymi cząsteczkami itp.) częstotliwość zaangażowanych fotonów zmienia się znacznie, a linie można zaobserwować w całym spektrum elektromagnetycznym: od fal radiowych po promienie gamma .
W praktyce linie nie mają idealnie określonej częstotliwości, lecz są rozłożone w paśmie częstotliwości. Powodów tej ekspansji jest wiele:
Te lampy wyładowcze wytworzenia linii emisyjnych użytego gazu.