stringtranslate.com

Спектральные серии водорода

Спектральный ряд водорода в логарифмическом масштабе.

Спектр излучения атомарного водорода был разделен на ряд спектральных серий , длины волн которых определяются формулой Ридберга . Эти наблюдаемые спектральные линии обусловлены переходами электронов между двумя уровнями энергии в атоме. Классификация серий 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 в масштабе.

Атом водорода состоит из электрона, вращающегося вокруг ядра . Электромагнитная сила между электроном и ядерным протоном приводит к набору квантовых состояний электрона, каждое из которых имеет свою собственную энергию. Эти состояния были визуализированы моделью атома водорода Бора как отдельные орбиты вокруг ядра. Каждый уровень энергии, или электронная оболочка, или орбита, обозначается целым числом n , как показано на рисунке. Модель Бора позже была заменена квантовой механикой, в которой электрон занимает атомную орбиталь, а не орбиту, но разрешенные уровни энергии атома водорода остались такими же, как и 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 испускаемого фотона соответствует разнице энергий между двумя состояниями. Поскольку энергия каждого состояния фиксирована, разность энергий между ними фиксирована, и переход всегда будет производить фотон с той же энергией.

Спектральные линии группируются в серии в соответствии с n′ . Линии именуются последовательно, начиная с самой длинной волны/самой низкой частоты серии, используя греческие буквы внутри каждой серии. Например, линия 2 → 1 называется «Лайман-альфа» (Ly-α), а линия 7 → 3 называется «Пашен-дельта» (Pa-δ).

Диаграмма энергетических уровней электронов в атоме водорода

Существуют линии излучения водорода, которые не попадают в эти серии, например, линия 21 см . Эти линии излучения соответствуют гораздо более редким атомным событиям, таким как сверхтонкие переходы. [1] Тонкая структура также приводит к тому, что отдельные спектральные линии появляются как две или более тесно сгруппированные более тонкие линии из-за релятивистских поправок. [2]

В квантово-механической 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, приводимого в движение внешней электромагнитной волной . [3]

В процессах поглощения или испускания фотонов атомом законы сохранения справедливы для всей изолированной системы , например, атома плюс фотон. Поэтому 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 . [3]

формула Ридберга

Различия в энергии между уровнями в модели Бора, а следовательно, и длины волн испускаемых или поглощаемых фотонов, определяются формулой Ридберга: [4]

где

Длина волны всегда будет положительной, поскольку n′ определяется как нижний уровень и, следовательно, меньше n . Это уравнение справедливо для всех водородоподобных видов, т. е. атомов, имеющих только один электрон, а частный случай спектральных линий водорода задается как Z=1.

Ряд

Серия Лайман (н′ = 1)

Серия Лаймана спектральных линий атома водорода в ультрафиолете

В модели Бора серия Лаймана включает линии, испускаемые при переходах 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 , который открыл спектральные линии в 1906–1914 годах. Все длины волн в серии Лаймана находятся в ультрафиолетовом диапазоне. [7] [8]

Серия Бальмера (н′ = 2)

Четыре видимые линии спектра излучения водорода в серии Бальмера. H-альфа — красная линия справа.

Серия Бальмера включает линии, обусловленные переходами с внешней орбиты n > 2 на орбиту n' = 2.

Назван в честь Иоганна Бальмера , который открыл формулу Бальмера , эмпирическое уравнение для предсказания серии Бальмера, в 1885 году. Линии Бальмера исторически называются « H-альфа », «H-бета», «H-гамма» и так далее, где H — элемент водород. [10] Четыре линии Бальмера находятся в технически «видимой» части спектра, с длинами волн длиннее 400 нм и короче 700 нм. Части серии Бальмера можно увидеть в солнечном спектре . H-альфа — важная линия, используемая в астрономии для обнаружения присутствия водорода.

Ряд Пашена (ряд Бора,н′ = 3)

Названы в честь немецкого физика Фридриха Пашена , который впервые наблюдал их в 1908 году. Все линии Пашена лежат в инфракрасном диапазоне. [11] Эта серия перекрывается со следующей серией (Брэкетта), т. е. самая короткая линия в серии Брэкетта имеет длину волны, которая попадает в серию Пашена. Все последующие серии перекрываются.

Серия Брэкетта (н′ = 4)

Назван в честь американского физика Фредерика Самнера Брэкетта , который впервые наблюдал спектральные линии в 1922 году. [12] Спектральные линии серии Брэкетта лежат в далеком инфракрасном диапазоне.

Серия Пфунда (н′ = 5)

Экспериментально обнаружен в 1924 году Августом Германом Пфундом . [13]

Серия Хамфриса (н′ = 6)

Открыт в 1953 году американским физиком Кертисом Дж. Хамфрисом . [15]

Дальнейшие серии (н′ > 6)

Дальнейшие серии не имеют названия, но следуют той же схеме и уравнению, которые диктуются уравнением Ридберга. Серии все более разбросаны и происходят на все больших длинах волн. Линии также становятся все более слабыми, что соответствует все более редким атомным событиям. Седьмая серия атомарного водорода была впервые продемонстрирована экспериментально в инфракрасном диапазоне в 1972 году Питером Хансеном и Джоном Стронгом в Массачусетском университете в Амхерсте. [16]

Расширение на другие системы

Концепции формулы Ридберга могут быть применены к любой системе с одной частицей, вращающейся вокруг ядра, например, иона He + или экзотического атома мюония . Уравнение должно быть изменено на основе радиуса Бора системы ; эмиссия будет иметь схожий характер, но в другом диапазоне энергий. Серия Пикеринга–Фаулера была первоначально приписана неизвестной форме водорода с полуцелыми уровнями перехода как Пикерингом [17] [18] [19] , так и Фаулером [20] , но Бор правильно распознал их как спектральные линии, возникающие из иона He + . [21] [22] [23]

Все остальные атомы имеют по крайней мере два электрона в нейтральной форме, и взаимодействия между этими электронами делают анализ спектра такими простыми методами, как описанные здесь, непрактичным. Вывод формулы Ридберга был важным шагом в физике, но это было задолго до того, как удалось распространить ее на спектры других элементов.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ "The Hydrogen 21-cm Line". Гиперфизика . Университет штата Джорджия . 2005-10-30 . Получено 2009-03-18 .
  2. ^ Либофф, Ричард Л. (2002). Введение в квантовую механику . Эддисон-Уэсли . ISBN 978-0-8053-8714-8.
  3. ^ ab Andrew, AV (2006). "2. Уравнение Шредингера ". Атомная спектроскопия. Введение в теорию сверхтонкой структуры . Springer. стр. 274. ISBN 978-0-387-25573-6.
  4. ^ Бор, Нильс (1985), «Открытие Ридбергом спектральных законов», в Kalckar, J. (ред.), N. Bohr: Собрание сочинений , т. 10, Амстердам: North-Holland Publ., стр. 373–9
  5. ^ Mohr, Peter J.; Taylor, Barry N.; Newell, David B. (2008). "CODATA Recommended Values ​​of the Fundamental Physical Constants: 2006" (PDF) . Reviews of Modern Physics . 80 (2): 633–730. arXiv : 0801.0028 . Bibcode :2008RvMP...80..633M. CiteSeerX 10.1.1.150.3858 . doi :10.1103/RevModPhys.80.633. 
  6. ^ "Энергии и спектр водорода". hyperphysics.phy-astr.gsu.edu . Получено 2020-06-26 .
  7. ^ Лайман, Теодор (1906), «Спектр водорода в области чрезвычайно коротких волн», Мемуары Американской академии искусств и наук , Новая серия, 23 (3): 125–146, Bibcode : 1906MAAAS..13..125L, doi : 10.2307/25058084, JSTOR  25058084. Также в The Astrophysical Journal , 23 : 181, 1906, Bibcode : 1906ApJ....23..181L, doi : 10.1086/141330{{citation}}: CS1 maint: untitled periodical (link).
  8. ^ Лайман, Теодор (1914), «Расширение спектра в экстремальном ультрафиолете», Nature , 93 (2323): 241, Bibcode : 1914Natur..93..241L, doi : 10.1038/093241a0
  9. ^ abcd Wiese, WL; Fuhr, JR (2009), "Точные вероятности атомных переходов для водорода, гелия и лития", Журнал физических и химических справочных данных , 38 (3): 565, Bibcode : 2009JPCRD..38..565W, doi : 10.1063/1.3077727
  10. ^ Балмер, Дж. Дж. (1885), «Notiz uber die Spectrallinien des Wasserstoffs», Annalen der Physik , 261 (5): 80–87, Бибкод : 1885AnP...261...80B, doi : 10.1002/andp.18852610506
  11. ^ Пашен, Фридрих (1908), "Zur Kenntnis ultraroter Linienspektra. I. (Normalwellenlängen bis 27000 Å.-E.)", Annalen der Physik , 332 (13): 537–570, Бибкод : 1908AnP...332.. 537P, дои :10.1002/andp.19083321303, заархивировано из оригинала 17 декабря 2012 г.
  12. ^ Брэкетт, Фредерик Самнер (1922), «Видимое и инфракрасное излучение водорода», Astrophysical Journal , 56 : 154, Bibcode : 1922ApJ....56..154B, doi : 10.1086/142697, hdl : 2027/uc1.$b315747 , S2CID  122252244
  13. ^ Пфунд, AH (1924), «Излучение азота и водорода в инфракрасном диапазоне», J. Opt. Soc. Am. , 9 (3): 193–196, Bibcode : 1924JOSA....9..193P, doi : 10.1364/JOSA.9.000193
  14. ^ ab Kramida, AE; et al. (ноябрь 2010 г.). «Критическая компиляция экспериментальных данных по спектральным линиям и уровням энергии водорода, дейтерия и трития». Atomic Data and Nuclear Data Tables . 96 (6): 586–644. Bibcode : 2010ADNDT..96..586K. doi : 10.1016/j.adt.2010.05.001.
  15. ^ Хамфрис, CJ (1953), «Шестая серия в спектре атомарного водорода», Журнал исследований Национального бюро стандартов , 50 : 1, doi : 10.6028/jres.050.001
  16. ^ Хансен, Питер; Стронг, Джон (1973). «Седьмая серия атомарного водорода». Прикладная оптика . 12 (2): 429–430. Bibcode : 1973ApOpt..12..429H. doi : 10.1364/AO.12.000429. PMID  20125315.
  17. ^ Пикеринг, EC (1896). «Звезды с необычными спектрами. Новые переменные звезды в созвездиях Южного Креста и Лебедя». Harvard College Observatory Circular . 12 : 1–2. Bibcode :1896HarCi..12....1P. Также опубликовано как: Pickering, EC ; Fleming, WP (1896). "Звезды с особыми спектрами. Новые переменные звезды в Crux и Cygnus". Astrophysical Journal . 4 : 369–370. Bibcode :1896ApJ.....4..369P. doi : 10.1086/140291 .
  18. ^ Пикеринг, EC (1897). «Звезды, имеющие особые спектры. Новые переменные звезды в созвездии Южного Креста и Лебедя». Astronomische Nachrichten . 142 (6): 87–90. Bibcode : 1896AN....142...87P. doi : 10.1002/asna.18971420605.
  19. ^ Пикеринг, EC (1897). "Спектр дзета Кормы". Astrophysical Journal . 5 : 92–94. Bibcode :1897ApJ.....5...92P. doi : 10.1086/140312 .
  20. ^ Фаулер, А. (1912). «Наблюдения основных и других серий линий в спектре водорода». Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . 73 (2): 62–63. Bibcode : 1912MNRAS..73...62F. doi : 10.1093/mnras/73.2.62 .
  21. ^ Бор, Н. (1913). «Спектры гелия и водорода». Nature . 92 (2295): 231–232. Bibcode : 1913Natur..92..231B. doi : 10.1038/092231d0. S2CID  11988018.
  22. ^ Хойер, Ульрих (1981). «Конституция атомов и молекул». В Хойер, Ульрих (ред.). Нильс Бор – Собрание сочинений: Том 2 – Работа по атомной физике (1912–1917) . Амстердам: North Holland Publishing Company . стр. 103–316 (особенно стр. 116–122). ISBN 978-0720418002.
  23. ^ Роботти, Надя (1983). «Спектр ζ Кормов и историческая эволюция эмпирических данных». Исторические исследования в физических науках . 14 (1): 123–145. дои : 10.2307/27757527. JSTOR  27757527.

Внешние ссылки

Медиа, связанные со спектральными сериями водорода на Wikimedia Commons