Спектралне линије водоника

Спектрална серија водоника на логаритамској скали.

Емисиони спектар атома водоника је подељен на неколико серија чије су таласне дужине предвиђене Ридберговом једначином. Ове спектралне линије се јављају услед преласка електрона с једног на други енергетски ниво атома. Подела спектра на серије према Ридберговој једначини је била јако важна у развоју квантне механике. Спектралне серије су од велике важности у астрономији у идентификовању присуства водоника и израчунавање црвеног помака.

Физика

Преласци електрона и резултујуће таласне дужине за водоник. Енергетски нивои нису у размери.

Атом водоника садржи један електрон који орбитира око атомског језгра. Електромагнетна сила која делује између електрона и протона у језгру резултира у низу квантних стања за електрон, од којих сваки има специфични садржај енергије. Ова стања су замишљене у Боровом Атомском моделу као засебне орбите око језгра. Свако енергетско стање, или орбитала је означена целим бројем, н као што је приказано на слици.

Емисиони спектри се јављају када електрон прелази са вишег на ниже енергетск стање. Ниже енергетско стање се обично означава са н', адок се више енергетско стање означава са н. Енергија емитованог фотона се подудара са енергетском разликом између ова два стања. Будући да је енергија сваког стања непромењива, то је и енергетска разлика међу њима непромењива, те ће и прелазак електрона између њих, увек изазвати емисију фотона са истом енергијом.

Спектралне линије су груписане у складу са н'. Линије су добиле имена редом почев од најдуже таласне дужине / најниже фреквенције серије, користећи грчка слова у оквиру сваке серије. Тако се линија настала преласком 2 → 1 назива "Лајман-алфа" (Лy-α), док се линија настала преласком 7 → 3 назива "Пашен-делта" (Па-δ).

Постоје и такве емисионе линије водоника које не спадају у ове серије. Таква је и Водоникова линија на 21 цм. Овакве емисионе линије одговарају знатно ређим атомским процесима, као што су хиперфини преласци. Фине структуре су такође разлог зашто се јединствене спектралне линије често јављају као две или више, тањих, збијених линија.

Ридбергова формула

Главни чланак: Ридбергова формула

Енергетске разлике између нивоа у Боровом моделу, и отуда таласне дужине емитованих / абсорбованих форона, дата је ридберговом формулом:

${1 \over \lambda }=R\left({1 \over (n^{\prime })^{2}}-{1 \over n^{2}}\right)\qquad \left(R=1.097373\times 10^{7}\ \mathrm {m} ^{-1}\right)$

где н означава виши енергетски ниво, н' означава нижи енергетски ниво, а Р је Ридбергова константа. Једначина даје смислене резултате само када је н веће од н' и када се узме да је лимес од 1 кроз бесконачно, једнак нули.

Серије

Лајманова серија (н′ = 1)

н	λ (нм) у вакууму
2	121.57
3	102.57
4	97.254
5	94.974
6	93.780
$\infty$	91.175

Лајманова серија атома водоника, спектралне линије у ултраљубичастом спектру.

Серија је добила име по Теодору Лајману, који је први открио спектралне линије 1906–1914. Све линије Лајманове серије су у ултраљубичастом спектру.

Балмерова серија (н′ = 2)

н	λ (нм) у ваздуху
3	656.3
4	486.1
5	434.0
6	410.2
7	397.0
$\infty$	364.6

Добила име по Јохану Балмеру, који је открио Балмерову формулу, емпиријску једначину за предвиђање балмерове серије у 1885. Балмерове линије су раније називане "Х-алфа", "Х-бета", "Х-гама" и тако даље, где Х означава Водоник. Четири Балмерове линије спадају у видљиви део спектра, са таласним дужинама већим од 400нм и краћим од 700 нм. Делови Балмерове серије се могу видети у сунчевом спектру. Х-алфа је битна линија која се користи у астрономији када је потребно идентификовати водоник.

Четири видљиве емисионе линије Балмерове серије. Х-алпха је црвена линија десно.

Пашенова серија (Борова серија) (н′ = 3)

н	λ (нм) у ваздуху
4	1875
5	1282
6	1094
7	1005
8	954.6
9	922.9
$\infty$	820.4

Добила име по немачком физичару Фридриху Пашену који их је први запазио 1908. Све Пашенове линије леже у Инфрацрвеном спектру. Ове се серија преклапа са следећом, Бракетовом серијом, односно, најкраћа линија Бракетове серије има таласну дужину која је између Пашенових линија. Све наредне серије се преклапају.

Бракетова серија (н′ = 4)

н	λ (нм) у ваздуху
5	4051
6	2625
7	2166
8	1944
9	1817
$\infty$	1458

Добила име по Америчком физичару Фредерик Сумнер Бракету који је први опазио ове линије 1922.

Пфундова серија (н′ = 5)

н	λ (нм) у вакууму
6	7460
7	4654
8	3741
9	3297
10	3039
$\infty$	2279

Откривена 1924 еxпериментом Август Херман Пфунда.

Хамфријева серија (н′ = 6)

н	λ (μм) у вакууму
7	12.37
8	7.503
9	5.908
10	5.129
11	4.673
$\infty$	3.282

Открио ју је 1953 амерички физичар Куртис Ј. Хамфрис.

Даље (н′ > 6)

Даље серије нису именоване, али прате исте принципе које поставља Ридбергова формула. Серије су све више раштркане и имају све веће таласне дужине. Такође, линије су све блеђе, што је у складу са ретким атомским процесима.

Примена на друге системе

Идеја Ридбергове формуле може да се примени на било који систем са једном честицом која орбитира око нуклеуса, нпр Хе⁺ јон или егзотични атом муонијум. Једначина се мора модификовати у складу са Боровим радијусом; Емисије ће имати сличне одлике али другачији обим енергија.

Сви остали атоми садрже најмање 2 електрона у свом неутралном стању и тада је примена овако поједностављеног система за анализу непрактична. Извођење Ридбергове формуле представљала је велики помак у физици, али је прошло много времена пре него што се пронашло њено проширење и на остале елементе.

Види још

• Водоникова линија на 21 цм