Спектральная серия водорода - Hydrogen spectral series

Спектральная серия водорода в логарифмическом масштабе.

Спектр излучения атомарного водорода был разделен на ряд спектральных серий , с длинами волн , данными формулой Ридберга . Эти наблюдаемые спектральные линии обусловлены электронными делая переходы между двумя энергетическими уровнями в атоме. Классификация рядов по формуле Ридберга сыграла важную роль в развитии квантовой механики . Спектральные серии важны в астрономической спектроскопии для обнаружения присутствия водорода и расчета красных смещений .

Физика

Электронные переходы и их результирующие длины волн для водорода. Уровни энергии не соответствуют масштабу.

Атом водорода состоит из электрона, вращающегося вокруг его ядра . Электромагнитная сила между электроном и ядерными протонами приводят к набору квантовых состояний для электрона, каждый со своей собственной энергией. Эти состояния визуализировались моделью Бора атома водорода как отдельные орбиты вокруг ядра. Каждый энергетический уровень, электронная оболочка или орбита обозначается целым числом n, как показано на рисунке. Позже модель Бора была заменена квантовой механикой, в которой электрон занимает атомную орбиталь, а не орбиту, но разрешенные уровни энергии атома водорода остались такими же, как в более ранней теории.

Спектральное излучение происходит, когда электрон переходит или прыгает из состояния с более высокой энергией в состояние с более низкой энергией. Чтобы различать два состояния, состояние с более низкой энергией обычно обозначается как n ' , а состояние с более высокой энергией обозначается как n . Энергия излучаемого фотона соответствует разнице энергий между двумя состояниями. Поскольку энергия каждого состояния фиксирована, разница энергий между ними фиксирована, и переход всегда будет производить фотон с одинаковой энергией.

Спектральные линии сгруппированы в серии по n ' . Линии именуются последовательно, начиная с самой длинной волны / самой низкой частоты в серии, с использованием греческих букв в каждой серии. Например, линия 2 → 1 называется «Лайман-альфа» (Ly-α), а линия 7 → 3 называется «Пашен-дельта» (Pa-δ).

Диаграмма уровней энергии электронов в атоме водорода

Есть эмиссионные линии водорода, которые не попадают в эту серию, например линия 21 см . Эти эмиссионные линии соответствуют гораздо более редким атомным событиям, таким как сверхтонкие переходы. Структура тонкой также приводит отдельные спектральные линии , появляющихся в виде двух или более тесно сгруппирована тонких линий, из - за релятивистские поправки.

В квантовой теории дискретный спектр атомной эмиссии был основан на уравнении Шредингера , которое в основном посвящено изучению энергетических спектров водородоподобных атомов, тогда как зависящее от времени эквивалентное уравнение Гейзенберга удобно при изучении атома, движущегося внешним воздействием. электромагнитная волна .

В процессах поглощения или испускания фотонов атомом законы сохранения выполняются для всей изолированной системы , такой как атом плюс фотон. Следовательно, движение электрона в процессе поглощения или испускания фотона всегда сопровождается движением ядра, и, поскольку масса ядра всегда конечна, энергетические спектры водородоподобных атомов должны зависеть от массы ядра . А поскольку атомы водорода имеют ядро ​​только из одного протона, энергия спектра атома водорода зависит только от ядра (например, в кулоновском поле): на самом деле масса одного протона примерно равна массе электрона, что дает только нулевой порядок приближения и поэтому может не приниматься во внимание.

Формула Ридберга

Разность энергий между уровнями в модели Бора и, следовательно, длины волн испускаемых или поглощенных фотонов задаются формулой Ридберга:

куда

Z - атомный номер ,
n ′ (часто пишется ) - главное квантовое число нижнего энергетического уровня,
n (или ) - главное квантовое число верхнего энергетического уровня, а
- постоянная Ридберга . (1.096 77 × 10 7  м -1 для водорода и1,097 37 × 10 7  м -1 для тяжелых металлов).

Длина волны всегда будет положительной, потому что n ' определяется как нижний уровень и поэтому меньше n . Это уравнение справедливо для всех водородоподобных частиц, т. Е. Атомов, имеющих только один электрон, а частный случай спектральных линий водорода задается формулой Z = 1.

Серии

Ряд Лаймана ( n ′  = 1)

В модели Бора ряд Лаймана включает линии, испускаемые переходами электрона с внешней орбиты с квантовым числом n> 1 на 1-ю орбиту с квантовым числом n '= 1.

Серия названа в честь ее первооткрывателя Теодора Лаймана , открывшего спектральные линии с 1906 по 1914 год. Все длины волн в серии Лаймана находятся в ультрафиолетовом диапазоне.

п λ , вакуум

(нм)

2 121,57
3 102,57
4 97,254
5 94 974
6 93,780
91,175
Источник:

Серия Бальмера ( n ′  = 2)

Четыре линии видимого спектра излучения водорода в серии Бальмера. H-alpha - это красная линия справа.

В серию Бальмера входят линии переходов с внешней орбиты n> 2 на орбиту n '= 2.

Назван в честь Иоганна Бальмера , который открыл формулу Бальмера , эмпирическое уравнение для предсказания ряда Бальмера, в 1885 году. Линии Бальмера исторически называются « H-альфа », «H-бета», «H-гамма» и т. Д. , где H - элемент водород. Четыре линии Бальмера находятся в технически «видимой» части спектра с длинами волн более 400 нм и короче 700 нм. Части серии Бальмера можно увидеть в солнечном спектре . H-альфа - важная линия, используемая в астрономии для обнаружения водорода.

п λ , воздух

(нм)

3 656,3
4 486,1
5 434,0
6 410,2
7 397,0
364,6
Источник:

Ряд Пашена (ряд Бора, n ′  = 3)

Назван в честь немецкого физика Фридриха Пашена, который впервые наблюдал их в 1908 году. Все линии Пашена лежат в инфракрасном диапазоне. Этот ряд перекрывается со следующей серией (Брэкетта), т. Е. Самая короткая линия в серии Брэкетта имеет длину волны, которая попадает в ряд Пашена. Все последующие серии перекрываются.

п λ , воздух

(нм)

4 1875 г.
5 1282
6 1094
7 1005
8 954,6
820,4
Источник:

Серия Брэкетта ( n  = 4)

Назван в честь американского физика Фредерика Самнера Брэкетта, который впервые наблюдал спектральные линии в 1922 году. Спектральные линии серии Брэкетта лежат в дальнем инфракрасном диапазоне.

п λ , воздух

(нм)

5 4051
6 2625
7 2166
8 1944 г.
9 1817 г.
1458
Источник:

Серия Pfund ( n ′  = 5)

Экспериментально обнаружен в 1924 году Августом Германом Пфундом .

п λ , вакуум

(нм)

6 7460
7 4654
8 3741
9 3297
10 3039
2279
Источник:

Серия Хамфриса ( n  = 6)

Открыт в 1953 году американским физиком Кертисом Дж. Хамфрисом .

п λ , вакуум

(мкм)

7 12,37
8 7,503
9 5,908
10 5,129
11 4,673
3,282
Источник:

Дальнейшие серии ( n ′  > 6)

Дальнейшие серии не имеют названия, но следуют тому же шаблону и уравнению, которое продиктовано уравнением Ридберга. Серии все более растянуты и происходят на увеличивающихся длинах волн. Линии также становятся все более тусклыми, что соответствует все более редким атомным событиям. Седьмая серия атомарного водорода была впервые экспериментально продемонстрирована в инфракрасном диапазоне в 1972 году Питером Хансеном и Джоном Стронгом из Массачусетского университета в Амхерсте.

Расширение на другие системы

Концепции формулы Ридберга могут быть применены к любой системе с единственной частицей, вращающейся вокруг ядра, например иону He + или экзотическому атому мюония . Уравнение должно быть изменено на основе радиуса Бора системы ; выбросы будут иметь аналогичный характер, но в другом диапазоне энергий. В серии Пикеринг-Фаулер было первоначально отнести к неизвестной форме водорода с уровнями полуцелого переходных оба Pickering и Fowler , но Бор правильно распознан их в качестве спектральных линий , возникающих из его + ядра.

Все другие атомы имеют по крайней мере два электрона в их нейтральной форме, и взаимодействие между этими электронами делает анализ спектра такими простыми методами, как описано здесь, непрактичным. Вывод формулы Ридберга был важным шагом в физике, но это произошло задолго до того, как можно было осуществить расширение спектров других элементов.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки