수소 스펙트럼 계열
Hydrogen spectral series
원자 수소의 방출 스펙트럼은 많은 스펙트럼 계열로 나뉘어져 있으며, 파장은 Rydberg 공식에 의해 주어진다.이러한 관측된 스펙트럼 라인은 원자의 두 에너지 수준 사이에서 전환되는 전자에 기인한다.Rydberg 공식에 의한 급수의 분류는 양자역학 발전에 중요했다.스펙트럼 계열은 수소의 존재를 감지하고 적색 편이를 계산하기 위해 천체 분광학에서 중요하다.
물리
수소 원자는 핵 주위를 도는 전자로 구성되어 있다.전자와 핵 양성자 사이의 전자기력은 각각 고유의 에너지를 가진 전자에 대한 일련의 양자 상태를 이끈다.이러한 상태는 수소 원자의 Bohr 모델에 의해 핵 주위의 뚜렷한 궤도로 시각화되었습니다.각 에너지 레벨 또는 전자 껍질 또는 궤도는 그림과 같이 정수 n으로 지정됩니다.보어 모델은 나중에 전자가 궤도가 아닌 원자 궤도를 차지하는 양자 역학으로 대체되었지만, 수소 원자의 허용 에너지 수준은 이전 이론과 동일하게 유지되었다.
스펙트럼 방출은 전자가 높은 에너지 상태에서 낮은 에너지 상태로 전환하거나 점프할 때 발생합니다.두 상태를 구별하기 위해 일반적으로 낮은 에너지 상태를 nµ로 지정하고 높은 에너지 상태를 n으로 지정합니다.방출된 광자의 에너지는 두 상태 사이의 에너지 차이에 해당합니다.각 상태의 에너지는 고정되어 있기 때문에, 그들 사이의 에너지 차이는 고정되어 있고, 그 전환은 항상 같은 에너지를 가진 광자를 만들어 낼 것이다.
스펙트럼 라인은 nµ에 따라 직렬로 분류된다.라인은 각 시리즈 내에서 그리스 문자를 사용하여 시리즈 중 가장 긴 파장/가장 낮은 주파수부터 순서대로 이름이 지정됩니다.예를 들어, 2 → 1 라인은 "Lyman-alpha"(Ly-α)이고, 7 → 3 라인은 "Paschen-delta"(Pa-delta)이다.
21cm 선과 같이 이 계열의 바깥쪽에 있는 수소 배출선이 있습니다.이러한 방출선은 초미세 [1]천이 같은 훨씬 더 드문 원자 현상에 해당합니다.또한 미세 구조는 상대론적 [2]보정으로 인해 두 개 이상의 가늘게 묶인 선으로 단일 스펙트럼 선이 나타난다.
양자역학 이론에서, 원자 방출의 이산 스펙트럼은 주로 수소 유사 원자의 에너지 스펙트럼 연구에 전념하는 슈뢰딩거 방정식을 기반으로 한 반면, 시간 의존적 등가 하이젠베르크 방정식은 외부 전자파에 [3]의해 구동되는 원자를 연구할 때 편리하다.
원자에 의한 광자의 흡수 또는 방출 과정에서, 보존 법칙은 원자 + 광자와 같은 고립된 시스템 전체에 적용됩니다.따라서 광자 흡수 또는 방출 과정에서 전자의 움직임은 항상 핵의 움직임을 수반하며, 핵의 질량은 항상 유한하기 때문에 수소 유사 원자의 에너지 스펙트럼은 핵 [3]질량에 의존해야 한다.
리드버그 공식
Bohr 모델의 수준과 그에 따라 방출되거나 흡수된 광자의 파장 사이의 에너지 차이는 Rydberg [4]공식에 의해 주어진다.
어디에
- Z는 원자 번호입니다.
- nθ(종종 은 에너지 수준의 주요 양자수입니다.
- n( 는 상위 에너지 수준의 주요 양자수입니다.
- {\({R_{\}})은 Rydberg 상수이다(수소는 1.09677×10m7−1, [5][6]중금속은 1.09737×10m7−1).
파장은 항상 양의 값입니다.이는 nµ이 낮은 레벨로 정의되어 있기 때문입니다.이 방정식은 모든 수소 유사 종, 즉 단일 전자만을 가진 원자에 유효하며, 수소 스펙트럼 라인의 특정 사례는 Z=1로 주어진다.
시리즈
Lyman 시리즈(n시리즈 = 1)
Bohr 모델에서 라이만 시리즈는 양자수 n>1의 외궤도에서 양자수 n' = 1의 제1궤도로의 전자의 천이에 의해 방출되는 선을 포함한다.
이 시리즈의 이름은 1906년부터 1914년까지 스펙트럼 라인을 발견한 테오도르 라이먼의 이름을 따서 붙여졌다.라이먼 시리즈의 모든 파장은 자외선 [7][8]대역입니다.
| n | λ, 진공 (nm) |
|---|---|
| 2 | 121.57 |
| 3 | 102.57 |
| 4 | 97.254 |
| 5 | 94.974 |
| 6 | 93.780 |
| ∞ | 91.175 |
| 출처:[9] | |
발머 시리즈(nµ = 2)
발머 계열은 외부 궤도 n > 2에서 궤도 n' = 2로의 천이로 인한 선을 포함한다.
1885년 발머 급수를 예측하는 경험적 방정식인 발머 공식을 발견한 요한 발머의 이름을 딴 것이다.발머 선은 역사적으로 "H-alpha", "H-베타", "H-감마" 등으로 불리며, 여기서 H는 [10]수소 원소이다.발머 라인 중 4개는 기술적으로 볼 수 있는 스펙트럼 부분에 있으며 파장은 400nm 이상이고 파장은 700nm 미만입니다.발머 시리즈의 일부는 태양 스펙트럼에서 볼 수 있다.H-alpha는 천문학에서 수소의 존재를 감지하는 데 사용되는 중요한 선이다.
| n | ,, 공기 (nm) |
|---|---|
| 3 | 656.3 |
| 4 | 486.1 |
| 5 | 434.0 |
| 6 | 410.2 |
| 7 | 397.0 |
| ∞ | 364.6 |
| 출처:[9] | |
Paschen 시리즈(Bohr 시리즈, n′ = 3)
1908년 이들을 처음 관찰한 독일 물리학자 프리드리히 파셴의 이름을 딴 것이다.파셴 선은 모두 적외선 [11]대역에 있습니다.이 시리즈는 다음(Brackett) 시리즈와 겹칩니다. 즉, Brackett 시리즈 중 가장 짧은 라인은 파셴 시리즈에 속하는 파장을 가집니다.이후의 모든 영상 시리즈가 겹칩니다.
| n | ,, 공기 (nm) |
|---|---|
| 4 | 1875 |
| 5 | 1282 |
| 6 | 1094 |
| 7 | 1005 |
| 8 | 954.6 |
| ∞ | 820.4 |
| 출처:[9] | |
Bracket 시리즈(nµ = 4)
1922년 [12]스펙트럼 라인을 처음 관찰한 미국의 물리학자 프레드릭 섬너 브라켓의 이름을 따서 명명되었다.Bracket 시리즈의 스펙트럼 라인은 원적외선 대역에 있습니다.
| n | ,, 공기 (nm) |
|---|---|
| 5 | 4051 |
| 6 | 2625 |
| 7 | 2166 |
| 8 | 1944 |
| 9 | 1817 |
| ∞ | 1458 |
| 출처:[9] | |
Pfund 시리즈(nµ = 5)
1924년 어거스트 허먼 [13]펀드에 의해 실험적으로 발견되었다.
| n | λ, 진공 (nm) |
|---|---|
| 6 | 7460 |
| 7 | 4654 |
| 8 | 3741 |
| 9 | 3297 |
| 10 | 3039 |
| ∞ | 2279 |
| 출처:[14] | |
험프리 시리즈(nµ = 6)
1953년 미국 물리학자 커티스 J.에 의해 발견되었다. 험프리.[15]
| n | λ, 진공 (μm) |
|---|---|
| 7 | 12.37 |
| 8 | 7.503 |
| 9 | 5.908 |
| 10 | 5.129 |
| 11 | 4.673 |
| ∞ | 3.282 |
| 출처:[14] | |
추가 시리즈 (n† > 6)
추가 급수는 이름이 없지만, Rydberg 방정식에 의해 지시된 것과 동일한 패턴과 방정식을 따릅니다.연속극은 점점 더 퍼져나가고 파장이 증가하면 발생합니다.또한 선은 점점 더 희박해져 점점 더 드문 원자 현상에 대응한다.일곱 번째 원자 수소 시리즈는 1972년 매사추세츠 애머스트 [16]대학의 피터 핸슨과 존 스트롱에 의해 적외선 파장에서 실험적으로 처음 입증되었다.
다른 시스템으로의 확장
Rydberg 공식의 개념은 예를 들어 He+ 이온이나 뮤오늄 외래 원자처럼 핵 주위를 도는 단일 입자를 가진 모든 시스템에 적용될 수 있습니다.방정식은 시스템의 Bohr 반지름에 기초하여 수정해야 합니다. 배출물은 유사한 특성이지만 에너지 범위가 다릅니다.피커링-파우러 시리즈는 원래 피커링과 [20]파울러 모두[17][18][19] 반정수 전이 수준을 가진 알려지지 않은 형태의 수소에 기인했지만, 보어는 이들을 He [21][22][23]핵에서+ 발생하는 스펙트럼 라인으로 정확하게 인식했다.
다른 모든 원자는 중성적인 형태로 적어도 두 개의 전자를 가지고 있으며, 이들 전자 사이의 상호작용은 여기서 설명하는 것과 같은 간단한 방법에 의한 스펙트럼 분석을 실용적이지 않게 만든다.Rydberg 공식의 추리는 물리학의 중요한 단계였지만, 다른 원소의 스펙트럼으로의 확장이 이루어지기까지는 오랜 시간이 걸렸다.
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레퍼런스
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