Спектр водорода

Физика > Водородные спектры

 

Рассмотрите спектральные серии водорода Лаймана, Бальмера и Пашена. Изучите формулу линии спектра атома водорода, история изучения, переход электронов, схема.

Наблюдаемые длины волн спектра водорода можно рассчитать по уравнению:

Задача обучения

• Разобраться в сериях Лаймана, Бальмера и Пашена.

Основные пункты

• Спектры атомной и молекулярной эмиссии и поглощения известны как дискретные (квантованные).
• Лайман, Бальмер и Пашен именованы в честь изучавших их ученых.
• Бор первым предложил теоретическое объяснение спектров водорода.

Термины

• Спектр – условие, лишенное ограничения конкретным набором значений, и может варьироваться в рамках континуума.
• Фотон – квант света, рассматриваемый в качестве дискретной частички с нулевой массой покоя, лишенной электрического заряда и с бесконечно долгой продолжительностью существования.

Десятилетиями люди пытались разобраться в характеристиках атомов. Постепенно накапливалась информация о размерах и спектрах, которую никто не мог объяснить. Спектры атомной и молекулярной эмиссии и поглощения известны как дискретные (квантованные). Максвелл и другие догадались, что должна существовать связь между атомным спектром и его структурой. Но многолетние усилия не приносили подходящей теории. Эйнштейн выдвинул предположение о существовании фотона с квантованными энергиями, выступающими прямо пропорциональными волновым длинам. Более того, стало очевидным, что электроны в атомах способы существовать только на дискретных орбитах.

В некоторых случаях получилось создать уравнения, характеризующие спектры излучения водорода. Как и предсказывали, простейший атом-водород с единственным электроном обладал относительно простым спектром. За спектром водорода наблюдали в инфракрасном, видимом и ультрафиолетовом свете. Длины рассчитываются по формуле:

, где λ – длина волны излучаемых ЭМ-лучей, R – постоянная Ридберга, определяемая экспериментально как R = 1.097 ⋅ 10⁷ m^-1, а n_f, n_i – целые положительные числа, связанные с определенным рядом.

Серии получили имена в честь изучавших их исследователей. Для разрядов Лаймана – n_f = 1, для Бальмера – n_f = 2, для Пашена – n_f = 3. Серия Лаймана полностью расположена в УФ, а в Бальмере здесь присутствует лишь часть. Серия Пашена и все остальные – полностью в ИК. Существует неограниченное количество рядов, хотя они все накапливаются в инфракрасном диапазоне и становятся трудными для наблюдения при увеличении n_f. Постоянная n_i – положительное целое число, но она обязана превосходить n_f. В итоге, для рядов Бальмера n_f = 2 и n_i = 3, 4, 5, 6.... Отметьте, что n_i может приближаться к бесконечности.

Электронные переходы и их результирующие длины волн для водорода. Уровни энергии не масштабируются

Уравнение стало всего лишь подсказкой, разработанной на основе данных, но не учитывавшая физических принципов. Бальмер первым разработал формулу для своей серии, а вот Бору удалось разглядеть в ней глубокий смысл.

---