Спектральні серії водню — набір спектральних серій, що складають спектр атома водню. Оскільки водень — найпростіший атом, його спектральні серії вивчено найкраще. Вони добре підпорядковуються формулі Рідберґа:
,
де — стала Рідберґа для водню, — основний рівень серії.
Спектральні лінії, що виникають при переходах на основний енергетичний рівень, називаються резонансними, всі інші — субординатними.
Фізика спектральних серій
Атом водню складається з електрона, що обертається навколо ядра. Електромагнітна сила між електроном і протоном ядра викликає наявність набору квантових станів електрона, кожен з яких має свою енергію. Ці стани зображуються на борівський моделі як окремі орбіти електрона. Кожній орбіті або стану відповідає ціле число .
Спектральне випромінювання відбувається, коли електрон переходить з вищого енергетичного стану в нижчий. Стан з нижчою енергією позначається як , а з вищою . Енергія випроміненого фотона відповідає різниці енергій двох станів. Оскільки енергія кожного стану завжди однакова, різниця між ними теж завжди однакова і перехід завжди супроводжується випроміненням фотона зі сталою енергією.
Спектральні лінії згруповано в серії за . Лінії названо послідовно, починаючи від лінії з найнижчою частотою, грецькими літерами. Наприклад, лінія називається лінією Лаймана-альфа (Ly-α), а Пашена-дельта (Pa-δ).
У водню існують лінії, які не входять у ці серії, як, наприклад, 21 сантиметрова лінія. Ці лінії відповідають рідкіснішим процесам в атомі, таким як надтонкі переходи. Тонка структура також виявляє єдині спектральні лінії, що мають вигляд двох і більше тісно згрупованих тонких ліній, утворених завдяки релятивістським ефектам.
Серія Лаймана
Відкрив Теодор Лайман 1906 року. Всі лінії серії лежать в ультрафіолетовому діапазоні. Серія відповідає формулі Рідберґа за і ; лінія є резонансною лінією водню. Межа серії — .
Серія Бальмера
Відкрив Йоганн Бальмер 1885 року. Перші чотири лінії серії лежать у видимому діапазоні і були відомі задовго до Бальмера, який запропонував емпіричну формулу для відповідних їм довжин хвиль і на її основі передбачив існування інших ліній цієї серії в ультрафіолетовій ділянці. Серія відповідає формулі Рідберґа за і ; лінія , межа серії — .
Серія Пашена
Передбачив Вальтер Ріц 1908 року на основі комбінаційного принципу. Відкрив Фрідріх Пашен того ж року. Всі лінії серії лежать в інфрачервоному діапазоні. Серія відповідає формулі Рідберґа за і ; лінія , межа серії — .
Серія Брекета
Відкрив 1922 року. Всі лінії серії лежать у близькому інфрачервоному діапазоні. Серія відповідає формулі Рідберґа за і ; лінія . Межа серії — .
Серія Пфунда
Відкрив 1924 року. Лінії серії лежать у близькому (частина в середньому) інфрачервоному діапазоні. Серія відповідає формулі Рідберґа за і ; лінія . Межа серії — .
Серія Гемпфрі
Відкрив 1953 року. Серія відповідає формулі Рідберґа за і ; основна лінія — межа серії — .
Серія Гансена — Стронґа Відкрили Джон Стронґ і Пітер Гансен 1972 року. Серія відповідає формулі Рідберґа за і .
Серії, раніше приписувані водню
Серія Фаулера
1912 року під час вивчення спектра випромінювання вакуумних трубок, заповнених сумішшю водню й гелію, Альфред Фаулер відкрив серію, що відповідала формулі Рідберґа для і . Насправді ця серія належить одноразово йонізованому гелію для і .
Серія Пікерінга
1896 року під час вивчення спектра зорі ζ Корми, Едвард Чарлз Пікерінг відкрив серію, що відповідає формулі Рідберґа для і . Насправді ця серія належить одноразово йонізованому гелію для і .
Див. також
Радіолінія нейтрального водню () Атом водню
Примітки