Seria widmowa wodoru - Hydrogen spectral series

Szereg widmowy wodoru w skali logarytmicznej .

Widmo emisji atomowej wodoru została podzielona na kilka widmowych serii , przy długościach fal określonych przez wzór rydberga . Zaobserwowanych linii widmowych są związane ze elektronów wytwarzania przejścia między dwoma poziomami energii w atomu. Klasyfikacja serii według wzoru Rydberga była ważna w rozwoju mechaniki kwantowej . Serie widmowe są ważne w spektroskopii astronomicznej do wykrywania obecności wodoru i obliczania przesunięć ku czerwieni .

Fizyka

Przejścia elektronowe i wynikające z nich długości fal dla wodoru. Poziomy energii nie są w skali.

Atom wodoru składa się z elektronu krążącego wokół jego jądra . Siła elektromagnetyczna między elektronem a protonem jądrowym prowadzi do zestawu stanów kwantowych dla elektronu, z których każdy ma własną energię. Stany te zostały zwizualizowane przez model atomu wodoru Bohra jako odrębne orbity wokół jądra. Każdy poziom energii, powłoka elektronowa lub orbita, jest oznaczony liczbą całkowitą n, jak pokazano na rysunku. Model Bohra został później zastąpiony mechaniką kwantową, w której elektron zajmuje orbitę atomową, a nie orbitę, ale dozwolone poziomy energetyczne atomu wodoru pozostały takie same, jak we wcześniejszej teorii.

Emisja widmowa występuje, gdy elektron przechodzi lub przeskakuje ze stanu o wyższej energii do stanu o niższej energii. Aby odróżnić te dwa stany, stan o niższej energii jest powszechnie oznaczany jako n′ , a stan o wyższej energii jest oznaczany jako n . Energia emitowanego fotonu odpowiada różnicy energii między dwoma stanami. Ponieważ energia każdego stanu jest stała, różnica energii między nimi jest stała, a przejście zawsze wytworzy foton o tej samej energii.

Linie widmowe są pogrupowane w szeregi według n′ . Linie są nazywane sekwencyjnie, zaczynając od najdłuższej długości fali/najniższej częstotliwości serii, używając greckich liter w każdej serii. Na przykład linia 2 → 1 nazywa się „Lyman-alfa” (Ly-α), podczas gdy linia 7 → 3 nazywa się „Paschen-delta” (Pa-δ).

Schemat poziomów energetycznych elektronów w atomie wodoru

Istnieją linie emisyjne wodoru, które nie mieszczą się w tych seriach, takie jak linia 21 cm . Te linie emisyjne odpowiadają znacznie rzadszym zdarzeniom atomowym, takim jak przejścia nadsubtelne . Drobna struktura powoduje także pojedynczych linii widmowych znajdujących się w dwóch lub więcej ściślejszego zgrupowane cienkich linii, w związku z relatywistycznymi poprawek.

W teorii mechaniki kwantowej dyskretne widmo emisji atomowej opierało się na równaniu Schrödingera , które jest głównie poświęcone badaniu widm energetycznych atomów wodoropodobnych, podczas gdy zależny od czasu odpowiednik równania Heisenberga jest wygodny w badaniu atomu napędzanego przez zewnętrzny fala elektromagnetyczna .

W procesach absorpcji lub emisji fotonów przez atom prawa zachowania obowiązują dla całego izolowanego układu , takiego jak atom plus foton. Dlatego ruchowi elektronu w procesie absorpcji lub emisji fotonów zawsze towarzyszy ruch jądra, a ponieważ masa jądra jest zawsze skończona, widma energetyczne atomów wodoropodobnych muszą zależeć od masy jądra . A ponieważ atomy wodoru mają jądro składające się tylko z jednego protonu, widmo energii atomu wodoru zależy tylko od jądra (np. w polu kulombowskim): w rzeczywistości masa jednego protonu jest ca razy większa od masy elektronu, co daje tylko zerowy rząd aproksymacji i dlatego może nie być brane pod uwagę. ${\ Displaystyle {\ Frac {10 ^ {4}}{5}}}$

Formuła Rydberga

Różnice energii pomiędzy poziomami w modelu Bohra, a co za tym idzie długości fal emitowanych lub pochłanianych fotonów, określa wzór Rydberga:

${\ Displaystyle {1 \ nad \ lambda} = Z ^ {2} R_ {\ infty} \ lewo ({1 \ nad {n'} ^ {2}} - {1 \ nad n ^ {2}} \ po prawej )}$

gdzie

Z to liczba atomowa ,

n′ (często pisane ) jest główną liczbą kwantową niższego poziomu energetycznego,${\displaystyle n_{1}}$

n (lub ) jest główną liczbą kwantową górnego poziomu energetycznego, a${\displaystyle n_{2}}$

${\displaystyle R_{\infty}}$jest stałą Rydberga . (1,096 77 × 10 ⁷  m- ¹ dla wodoru i1,097 37 × 10 ⁷  m- ¹ dla metali ciężkich).

Długość fali zawsze będzie dodatnia, ponieważ n′ jest zdefiniowany jako niższy poziom, a więc jest mniejszy niż n . To równanie jest ważne dla wszystkich rodzajów wodoropodobnych, tj. atomów mających tylko jeden elektron, a szczególny przypadek linii widmowych wodoru jest podany przez Z=1.

Seria

szereg Lymana ( n′  = 1)

Seria Lyman z atomu wodoru linii widmowych w ultrafiolecie

W modelu Bohra szereg Lymana obejmuje linie emitowane przez przejścia elektronu z orbity zewnętrznej o liczbie kwantowej n > 1 na 1. orbitę o liczbie kwantowej n' = 1.

Seria nosi imię jej odkrywcy, Theodore'a Lymana , który odkrył linie widmowe w latach 1906-1914. Wszystkie długości fal w serii Lyman są w paśmie ultrafioletowym .

Seria Balmera ( n′  = 2)

Cztery widzialne linie widma emisji wodoru w serii Balmer. H-alfa to czerwona linia po prawej stronie.

Seria Balmera obejmuje linie wynikające z przejścia z orbity zewnętrznej n > 2 do orbity n' = 2.

Nazwane na cześć Johanna Balmera , który odkrył wzór Balmera , empiryczne równanie do przewidywania szeregu Balmera, w 1885 roku. Linie Balmera są historycznie określane jako „ H-alfa ”, „H-beta”, „H-gamma” i tak dalej , gdzie H oznacza atom wodoru. Cztery z linii Balmera znajdują się w technicznie „widocznej” części widma, o długościach fal dłuższych niż 400 nm i krótszych niż 700 nm. Części serii Balmer można zobaczyć w widmie słonecznym . H-alfa to ważna linia stosowana w astronomii do wykrywania obecności wodoru.

Szeregi Paschena (szereg Bohra, n′  = 3)

Nazwane na cześć niemieckiego fizyka Friedricha Paschena, który zaobserwował je po raz pierwszy w 1908 roku. Wszystkie linie Paschena leżą w paśmie podczerwieni . Seria ta pokrywa się z następną (Brackett), tzn. najkrótsza linia w serii Brackett ma długość fali należącą do serii Paschena. Wszystkie kolejne serie zachodzą na siebie.

Szeregi nawiasów ( n′  = 4)

Nazwany na cześć amerykańskiego fizyka Fredericka Sumnera Bracketta, który jako pierwszy zaobserwował linie widmowe w 1922 roku. Linie widmowe serii Bracketta leżą w paśmie dalekiej podczerwieni.

Szereg Pfund ( n′  = 5)

Eksperymentalnie odkryta w 1924 roku przez Augusta Hermana Pfunda .

szereg Humphreysa ( n′  = 6)

Odkryta w 1953 roku przez amerykańskiego fizyka Curtisa J. Humphreysa .

Dalsze szeregi ( n′  > 6)

Dalsze serie są nienazwane, ale przebiegają według tego samego wzoru i równania, które podyktowane jest równaniem Rydberga. Serie są coraz bardziej rozrzucone i pojawiają się na coraz większej długości fali. Linie są również coraz słabsze, co odpowiada coraz rzadszym zdarzeniom atomowym. Siódma seria atomowego wodoru została po raz pierwszy zademonstrowana eksperymentalnie w podczerwieni w 1972 roku przez Petera Hansena i Johna Stronga na Uniwersytecie Massachusetts w Amherst.

Rozszerzenie na inne systemy

Koncepcje wzoru Rydberga można zastosować do dowolnego układu z pojedynczą cząsteczką krążącą wokół jądra, na przykład jon He ⁺ lub egzotyczny atom monium . Równanie należy zmodyfikować w oparciu o promień Bohra systemu ; emisje będą miały podobny charakter, ale w różnym zakresie energii. Seria Pickeringa-Fowlera została pierwotnie przypisana nieznanej formie wodoru o półcałkowitych poziomach przejściowych zarówno przez Pickeringa, jak i Fowlera , ale Bohr poprawnie rozpoznał je jako linie widmowe powstające z jądra He ⁺ .

Wszystkie inne atomy mają co najmniej dwa elektrony w ich neutralnej postaci, a interakcje między tymi elektronami sprawiają, że analiza widma takimi prostymi metodami, jak opisane tutaj, jest niepraktyczna. Dedukcja wzoru Rydberga była ważnym krokiem w fizyce, ale minęło dużo czasu, zanim udało się rozszerzyć spektrum innych pierwiastków.

Zobacz też

• Spektroskopia astronomiczna
• Linia wodoru (21 cm)
• Przesunięcie baranka
• Prawo Moseleya
• Optyka kwantowa
• Teoretyczne i eksperymentalne uzasadnienie równania Schrödingera

Bibliografia

Zewnętrzne linki

• Widmowe serie animacji wodoru