Спектральные серии водорода

Спектральные линии атома водорода

Спектральные серии водорода — набор спектральных серий, составляющих спектр атома водорода. Поскольку водород — наиболее простой атом, его спектральные серии наиболее хорошо изучены. Они хорошо подчиняются формуле Ридберга:

${\displaystyle {\frac {1}{\lambda }}=R\left({\frac {1}{{n'}^{2}}}-{\frac {1}{n^{2}}}\right)}$,

где R = 109 677 см⁻¹ — постоянная Ридберга для водорода, n′ — основной уровень серии.

Спектральные линии, возникающие при переходах на основной энергетический уровень, называются резонансными, все остальные — субординатными.

Физика спектральных серий

Состояния электрона и соответствующие длины волн для водорода.

Атом водорода состоит из электрона, вращающегося вокруг ядра. Электромагнитная сила между электроном и протоном ядра вызывает наличие набора квантовых состояний электрона, каждое из которых имеет свою энергию. Эти состояния изображаются на Боровской модели как отдельные орбиты электрона. Каждой орбите или состоянию соответствует целое число n.

Спектральное излучение происходит, когда электрон переходит из более высокого энергетического состояния в более низкое. Состояние с более низкой энергией обозначается как n′, а с более высокой n. Энергия излучённого фотона соответствует разнице двух состояний. Так как энергия каждого состояния всегда одинакова, разница между ними тоже всегда одинакова и переход всегда будет излучать фотон с постоянной энергией.

Спектральные линии сгруппированы в серии по n′. Линии названы последовательно от самой низкочастотной греческими буквами. Например, линия 2 → 1 называется линией Лаймана-альфа (Ly-α), а 7 → 3 Пашена-дельта(Pa-δ).

Диаграмма энергетических состояний атома водорода.

У водорода существуют линии, не попадающие в эти серии, как, например, 21 сантиметровая линия. Эти линии соответствуют более редким процессам в атоме, таким как сверхтонкие переходы.^[1] Тонкая структура также влечёт единые спектральные линии, появляющиеся в виде двух и более тесно сгруппированных тонких линий, из-за релятивистских эффектов.^[2]

Серия Лаймана

Открыта Т. Лайманом в 1906 году. Все линии серии находятся в ультрафиолетовом диапазоне. Серия соответствует формуле Ридберга при n′ = 1 и n = 2, 3, 4, …; линия L_α = 1216 Å является резонансной линией водорода. Граница серии — 911,8 Å.

Серия Бальмера

Открыта И. Я. Бальмером в 1885 году. Первые четыре линии серии находятся в видимом диапазоне и были известны задолго до Бальмера, который предложил эмпирическую формулу для их длин волн и на её основе предсказал существование других линий этой серии в ультрафиолетовой области. Серия соответствует формуле Ридберга при n′ = 2 и n = 3, 4, 5, …; линия H_α = 6565 Å, граница серии — 3647 Å.

Серия Пашена

Предсказана Ритцем в 1908 году на основе комбинационного принципа. Открыта Ф. Пашеном в том же году. Все линии серии находятся в инфракрасном диапазоне. Серия соответствует формуле Ридберга при n′ = 3 и n = 4, 5, 6, …; линия P_α = 18 756 Å, граница серии — 8206 Å.

Серия Брэккета

Открыта Ф. С. Брэккетом в 1922 году. Все линии серии находятся в ближнем инфракрасном диапазоне. Серия соответствует формуле Ридберга при n′ = 4 и n = 5, 6, 7, …; линия B_α = 40 522 Å. Граница серии — 14 588 Å.

Серия Пфунда

Открыта А. Г. Пфундом в 1924 году. Линии серии находятся в ближнем (часть в среднем) инфракрасном диапазоне. Серия соответствует формуле Ридберга при n′ = 5 и n = 6, 7, 8, …; линия Pf_α = 74 598 Å. Граница серии — 22 794 Å.

Серия Хэмпфри

Открыта К. Д. Хэмпфри в 1953 году. Серия соответствует формуле Ридберга при n′ = 6 и n = 7, 8, 9, …; основная линия — 123 718 Å, граница серии — 32 823 Å.

Серия Хансена — Стронга

Открыта Джоном Стронгом и Питером Хансеном в 1972 году. Серия соответствует формуле Ридберга при n′ = 7 и n = 8, 9, 10, ….

Серии, ранее приписываемые водороду

Серия Фаулера

Открыта в 1912 году Альфредом Фаулером при изучении спектра излучения вакуумных трубок, заполненных смесью водорода и гелия. Серия соответствует формуле Ридберга при n′ = 1,5 и n = 2, 3, 4, …. На самом деле эта серия принадлежит однократно ионизированному гелию при n′ = 3 и n = 4, 5, 6, ….

Серия Пикеринга

Открыта в 1896 году Эдвардом Пикерингом при изучении спектра звезды ζ Кормы. Серия соответствует формуле Ридберга при n′ = 2 и n = 2,5; 3,5; 4,5; …. На самом деле эта серия принадлежит однократно ионизированному гелию при n′ = 4 и n = 5, 6, 7, ….

См. также

• Радиолиния нейтрального водорода (21 см)
• Атом водорода

Примечания

Это заготовка статьи по физике. Вы можете помочь проекту, дополнив её.