Спектра́льные се́рии водо́рода — набор спектральных серий, составляющих спектр атома водорода. Поскольку водород — наиболее простой атом, его спектральные серии наиболее хорошо изучены. Они хорошо подчиняются формуле Ридберга:
где — постоянная Ридберга для водорода, — основной уровень серии, — натуральное число больше .
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 , 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 , а с более высокой . 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 . Линии в каждой серии обозначаются последовательно от самой длинноволновой линии греческими буквами в алфавитном порядке. Например, линия называется линией Лаймана-альфа (Ly-α), а 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 и ; линия является резонансной линией водорода. Граница серии — .
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 и ; линия , граница серии — .
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 и ; линия , граница серии — .
Серия Брэккета
Открыта Ф. С. Брэккетом в 1922 году. Все линии серии находятся в ближнем инфракрасном диапазоне. Серия соответствует формуле Ридберга при и ; линия . Граница серии — .
Серия Пфунда
Открыта А. Г. Пфундом в 1924 году. Линии серии находятся в ближнем (часть в среднем) инфракрасном диапазоне. Серия соответствует формуле Ридберга при и ; линия . Граница серии — .
Серия Хэмпфри
Открыта К. Д. Хэмпфри в 1953 году. Серия соответствует формуле Ридберга при и ; основная линия — , граница серии — .
Серия Хансена — Стронга
Открыта Джоном Стронгом и Питером Хансеном в 1972 году. Серия соответствует формуле Ридберга при и .
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 и . На самом деле эта серия принадлежит однократно ионизированному гелию при и .
Серия Пикеринга
Открыта в 1896 году Эдвардом Пикерингом при изучении спектра звезды ζ Кормы. Серия соответствует формуле Ридберга при и . На самом деле эта серия принадлежит однократно ионизированному гелию при и .
См. также Радиолиния нейтрального водорода () Атом водорода
Примечания
Категория:Атомная физика Категория:Спектроскопия Категория:Водород