§ 209. 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

 

 

336

(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

серия Пфунда

серия Хэмфри

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

где m имеет в каждой данной серии по­стоянное значение, m= 1, 2, 3, 4, 5, 6 (определяет серию), n принимает целочислен­ные значения начиная с m+1 (определяет отдельные линии этой серии).

Исследование более сложных спект­ров — спектров паров щелочных металлов (например, Li, Na, К) — показало, что они представляются набором незакономерно расположенных линий. Ридбергу удалось разделить их на три серии, каждая из которых располагается подобно линиям бальмеровской серии.

Приведенные выше сериальные форму­лы подобраны эмпирически и долгое время не имели теоретического обоснования, хо­тя и были подтверждены эксперименталь­но с очень большой точностью. Приведен­ный выше вид сериальных формул, удиви­тельная повторяемость в них целых чисел, универсальность постоянной Ридберга свидетельствуют о глубоком физическом смысле найденных закономерностей, вскрыть который в рамках классической физики оказалось невозможным.