Водикове спектралне линије

Водикове спектралне серије, у логаритамској скали

Пријелаз електрона и њихова резултирајућа вална дуљина за водик

Водикове спектралне линије дијеле емисиони спектар атома водика у спектралне серије, чије се валне дуљине могу израчунати из Рyдбергове формуле. Те спектралне линије се стварају јер се електрони крећу између енергетских разина у атому. Оне су важне у астрономији за откривање присутности водика у свемирским објектима и за прорачун црвеног помака, да би се израчунала брзина удаљавања или приближавања извора зрачења.

Физика

Спектралне линије водика одговарају појединим скоковима електрона између енергетских разина. Најједноставнији модел водикова атома је описан са Бохровим моделом атома. Када електрон скочи са више енергетске разине на нижу енергетску разину, емитира се фотон са одговарајућом валном дуљином.

Спектралне линије су групиране у серије према броју н’ из Рyдбергове формуле. Линије имају назив по слиједу почевши од највеће валне дуљине (најниже фреквенције), користећи грчка слова за сваку серију. На примјер, скок електрона из енергетских разина 2 → 1 се назива “Лyман-алфа” (Лy-α), док скок 7 → 3 се назива “Пасцхен-делта” (Па-δ). Неке спектралне линије се налазе изван тих серија, као што је водикова линија 21 цм, која се односи на врло ријетке атомске догађаје. Многе од њих су врло слабе и могу се видјети само у лабараторију. Линије које су изван видљивог дијела спектра често се не могу видјети у Сунчевом спектру, јер Земљина атмосфера апсорбира већи дио инфрацрвеног и ултраљубичастог зрачења.

Рyдбергова формула

Разлике у енергетским разинама у Бохровом моделу атома, а тиме и валне дуљине емитираних или апсорбираних фотона, се могу математички описати са Рyдберговом формулом: :

${1 \over \lambda }=R\left({1 \over (n^{\prime })^{2}}-{1 \over n^{2}}\right)\qquad \left(R=1.097373\times 10^{7}\ \mathrm {m} ^{-1}\right)$

гдје је: н – почетна енергетска разина, н’ – коначна енергетска разина, а Р - Рyдбергова константа.

Серије

Лyманова серија (н = 1)

$n$	λ (нм)
2	122
3	103
4	97,2
5	94,9
6	93,7
$\infty$	91.1

Лyманова серија је названа према Тхеодору Лyману, који је открио те спектралне линије од 1906. до 1914. Лyманова серија се налази у у ултраљубичастом подручју спектра.

Балмерова серија (н = 2)

Четири Балмерове спектралне линије водика. Ба-α или “Х-алфа” је црвена линија на десно.

$n$	λ (нм)
3	656
4	486
5	434
6	410
7	397
$\infty$	365

Балмерова серија је названа према Јоханну Балмеру, који је открио Балмерову формула, емпиријску једнаџбу која је предвидјела Балмерову серију 1885. Повијесно, Балмерове линије су се звале “Х-алфа”, “Х-бета”, “Х-гама”, гдје је Х означавао водик. Четири Балмерове линије се налазе у видљивом дијелу спектра, са валном дуљином већом од 400 нм. Дио Балмерове серије се може видјети у Сунчевом спектру. Ба-α или “Х-алфа” је врло важна линија која се користи у астрономији за откривање присутности водика. реф>{ Балмер Ј. Ј.: "Нотиз убер дие Спецтраллиниен дес Wассерстоффс", јоурнал=Аннален дер Пхyсик, 1885. [5] Архивирано 2019-12-18 на Wаyбацк Мацхине-у</реф>

Пасцхенова серија (н = 3)

$n$	λ (нм)
4	1870
5	1280
6	1090
7	1000
8	954
$\infty$	820

Пасцхенова серија је названа према Фриедрицху Пасцхену, који их је први открио 1908. Пасцхенове линије леже у инфрацрвеном дијелу спектра.

Брацкеттова серија (н = 4)

$n$	λ (нм)
5	4050
6	2630
7	2170
8	1940
9	1820
$\infty$	1460

Брацкеттова серија је названа према Фредерицку Сумнеру Брацкетту, који их је први примијетио 1922.

Пфундова серија (н = 5)

$n$	λ (нм)
6	7460
7	4650
8	3740
9	3300
10	3040
$\infty$	2280

Пфундову серију је открио покусом Аугуст Херман Пфунд 1924.

Хумпхреyсова серија (н = 6)

$n$	λ (нм)
7	12400
8	7500
9	5910
10	5130
11	4670
$\infty$	3280

Хумпхреyсову серију је открио Цуртис Ј. Хумпхреyс.

Више серије (н > 6)

Више серије нису именоване, али слиједе точно исти слијед по Рyдберговој формули. Те линије се врло слабо виде и везане су уз врло ријетке атомске догађаје.

Проширење на остале системе

Сличан систем као Рyдбергова формула се може примјенити и на остале атоме, али само са једним електроном који кружи око језгре, на примјер Хе⁺. Једнаџба се мора измијенити на основу Бохровог радијуса, сличних карактеристика, али других енергетских разина.

Остали атоми који имају два или више електрона у неутралном облику, чине овај начин анализе врло комплицираним и непрактичним. Стварање Рyдбергове формуле је врло велик корак у физици, али је требало доста времена да се прошири на остале елементе осим водика.