Оптичні переходи

Спектральні лінії атома водню

Згідно з положеннями квантової механіки (див. Золоте правило Фермі) при випромінюванні чи поглинанні світла квантовомеханічною системою повинен виконуватися закон збереження енергії. Наприклад, при випромінюванні кванта світла, енергія атома водню змінюється на величину , де ω — циклічна частота світла. Але енергія атома водню може мати лише конкретні значення, визначені вище. Таким чином, атом водню в найнижчому основному стані не може випромінювати світло, бо не може зменшити своєї енергії. Якщо атом водню перебуває в першому збудженому стані, то при випромінюванні він може перейти лише в основний стан. При цьому енергія випроміненого фотона дорівнює різниці . І так далі, атом у другому збудженому стані може перейти лише в основновний стан і перший збуджений тощо.

При поглинанні світла атомом водню відбуваються схожі процеси. Атом в основному стані має енергію і може перейти в стани з енергією . При цьому поглинаються виключно лише ті фонони, які мають енергії .

Таким чином спектр поглинання й спектр випромінювання атома водню складається із серії тонких ліній, які згущаються до певної частоти, а на вищих частотах переходить у неперервний, оскільки високоенергетичні збудження відповідають іонізації атома, при якій електрон, що відривається від ядра, може мати довільну енергію.

Лінійчатий спектр атома водню складається з ліній поглинання із частотою, яка задається формулою

,

де m і n>m — цілі числа, m-головне квантове число. В спектрі виділяють

• серію Лаймана, для якої m = 1. Ця серія розташована в ультрафіолетовій області спектру й була отримана на експерименті вже після того, як Нільс Бор передбачив її існування.
• серію Бальмера, для якої m = 2.
• серія Пашена, для якої m = 3. Серія Пашена лежить в інфрачервоній області спектру.
• серія Брекета, m = 4.