Линейчатый спектр атома водорода

Исследования спектров излучения разре­женных газов (т. е. спектров излучения отдельных атомов) показали, что каждому газу присущ вполне определенный линей­чатый спектр, состоящий из отдельных спектральных линий или групп близко рас­положенных линий. Самым изученным яв­ляется спектр наиболее простого атома — атома водорода.

Швейцарский ученый И. Бальмер (1825—1898) подобрал эмпирическую формулу, описывающую все известные в то время спектральные линии атома во­дорода в видимой области спектра:

где R'=1,10•10⁷ м^-1 — постоянная Ридберга.Так как v = c/l, то формула (209.1) может быть переписана для частот:

где R=R'с=3,29•10¹⁵ с^-1 также постоян­ная Ридберга.

Из выражений (209.1) и (209.2) вы­текает, что спектральные линии, отличаю­щиеся различными значениями n, образу­ют группу или серию линий, называемую серией Бальмера.С увеличением n линии серии сближаются; значение n=¥ опре­деляет границу серии,к которой со сторо­ны больших частот примыкает сплошной спектр.

В дальнейшем (в начале XX в.) в спектре атома водорода было обнаруже­но еще несколько серий. В ультрафиолето­вой области спектра находится серия Лаймана:

В инфракрасной области спектра были также обнаружены: серия Пашена

Серия Брэкета

Все приведенные выше серии в спектре атома водорода могут быть описаны одной формулой, называемой обобщенной фор­мулой Бальмера:

Постулаты Бора

Первая попытка построить качественно новую – квантовую -- теорию атома была предпринята Бором. Он поставил перед собой цель связать в единое целое эмпирические закономерности линейчатых спектров, ядерную модель атома Резерфорда (Согласно этой модели, вокруг положительного ядра, имеющего заряд Ze (Z – порядковый номер эл-та в системе Менделеева, е -- элементарный заряд), размер м и массу , практически равную массе атома, в области с линейными размерами порядка м по замкнутым орбитам движутся электроны, образую электронную оболочку атома. Так как атомы нейтральны, то заряд ядра равен суммарному заряду электронов, т.е. вокруг ядра должно вращаться Z электронов) и квантовый характер излучения и поглощения света. Два постулата: Первый постулат Бора (постулат стационарных состояний): в атоме существуют стационарные состояния, в которых он не излучает энергии. Стационарным состояниям атома соответствуют стационарные орбиты, по которым движутся электроны. Движение электронов по стационарным орбитам не сопровождается излучением электромагнитных волн. В стационарном состоянии атома электрон, двигаясь по круговой орбите, должен иметь дискретные квантовые значения момента импульса, удовлетворяющие условию (n=1,2,3,…), где -- масса эл-трона, v – его скорость по n-ой орбите радиуса , . Второй постулат (правило частот): при переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую излучается (поглощается) один фотон с энергией , равной разности энергий соответствующих стационарных состояний ( и -- соответственно энергии стационарных состояний атома до и после излучения (поглощения)). При происходит излучение фотона (переход атома из состояния с большей энергией в состояние с меньшей, т.е. переход электрона с более удаленной от ядра орбиты на близлежащую), при -- его поглощение (переход атома в состояние с большей энергией, т.е. переход электрона на более удаленную от ядра орбиту). Набор всевозможных дискретных частот квантовых переходов и определяет линейчатый спектр атома.