Спектральный ряд водорода
Спектр излучения атомарного водорода был разделен на ряд спектральных серий , длина волны которых определяется формулой Ридберга . Эти наблюдаемые спектральные линии обусловлены переходами электрона между двумя энергетическими уровнями в атоме. Классификация рядов по формуле Ридберга имела важное значение в развитии квантовой механики . Спектральные серии важны в астрономической спектроскопии для обнаружения присутствия водорода и вычисления красных смещений .
Атом водорода состоит из электрона, вращающегося вокруг своего 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 энергетический уровень, или электронная оболочка, или орбита обозначаются 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 энергетические уровни атома водорода остались такими же, как и в более ранней теории.
Спектральное излучение возникает, когда электрон переходит или перескакивает из более высокого энергетического состояния в более низкое энергетическое состояние. 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, разница энергий между ними фиксирована, и переход всегда будет производить фотон с одной и той же энергией.
Спектральные линии группируются в серии по n′ . Линии именуются последовательно, начиная с самой длинной волны/самой низкой частоты серии, используя греческие буквы в каждой серии. Например, линия 2 → 1 называется «Лайман-альфа» (Ly-α), а линия 7 → 3 называется «Пашен-дельта» (Pa-δ).
Существуют эмиссионные линии водорода, которые не входят в эти ряды, например, линия 21 см . Эти эмиссионные линии соответствуют гораздо более редким атомным событиям, таким как сверхтонкие переходы. [1] Тонкая структура также приводит к тому, что отдельные спектральные линии выглядят как две или более тесно сгруппированных более тонких линий из-за релятивистских поправок. [2]
В квантово-механической теории дискретный спектр излучения атома 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, движимого внешним электромагнитная волна . [3]
