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

Атом водорода состоит из электрона, вращающегося вокруг ядра — протона . Сила электромагнитного взаимодействия между электроном и протоном порождает набор дискретных квантовых состояний электрона, каждое из которых имеет свою определённую энергию. Эти состояния изображаются в боровской модели как отдельные орбиты электрона вокруг протона. Каждой орбите или состоянию атома соответствует целое число n , называемое главным квантовым числом .

Излучение на частотах спектральных линий 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 разности энергий этих двух состояний. Так как энергия каждого состояния всегда одинакова, разница между ними тоже всегда одинакова и переход всегда будет излучать фотон с постоянной энергией, то есть с постоянной длиной волны.

Спектральные линии принято группировать в серии с разными n′ . Линии в каждой серии обозначаются последовательно от самой длинноволновой линии греческими буквами в алфавитном порядке. Например, линия 2 → 1 называется линией Лаймана-альфа (Ly-α), а 7 → 3 Пашена-дельта (Pa-δ).

У атома водорода существуют линии, не описываемые этими сериями, как, например, радиолиния нейтрального водорода с длиной волны около 21 сантиметра. Эти линии порождаются более редкими энергетическими переходами в атоме, называемыми сверхтонкими переходами .

Тонкая структура энергетических уровней также порождает дискретные спектральные линии, наблюдаемые в виде двух и более чем двух тесно сгруппированных линий, возникающих из-за релятивистских эффектов .

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 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 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