水素スペクトル系列

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対数スケールで表した、水素のスペクトル系列

水素原子発光スペクトルは、リュードベリの式英語版によって与えられる波長によって、いくつかのスペクトル系列に分けられる。観測されたスペクトル線は原子のエネルギー準位間の電子移動による。スペクトル系列は、天文学において水素の存在の観測と赤方偏移の計算のため重要である。分光法の発展によって多くの系列が発見されている。

物理学[編集]

物理学において、水素のスペクトル線は、それぞれ電子エネルギー準位間の遷移に相当する。水素原子の最もシンプルなモデルは、ニールス・ボーアによって与えられた。電子が高いエネルギー状態から低いエネルギー状態へ遷移する場合、特定の波長を持つフォトンが放出される。

水素における電子遷移とその結果生じるフォトンの波長。この図ではエネルギー準位のスケールが正確な描写ではないことに注意。

スペクトル線はnの値によってそれぞれの系列にグループ分けされる。スペクトル線は系列の最大波長/最低周波数から、ギリシャ体を用いて命名されていく。例えば、2 → 1のスペクトル線は「ライマン-アルファ(Ly-α)」、7 → 3 のスペクトル線は「パッシェン-デルタ」(Pa-δ)である。21cmのスペクトル線など、いくつかの水素のスペクトル線はこれらの系列に含まれない。これらは超微細遷移などの遷移に相当する。[1] 微細構造は1本のスペクトル線は、相対論的な補正によって2つ以上の細い線として現れる。[2] スペクトル系列は、実験系では純粋な水素からのみ観測することができる。通常は多くのスペクトル線は見えにくく、ヘリウム窒素などの他の元素によって、余分なスペクトル線が観測されてしまうことが多い。大気が多くの赤外光と紫外光を吸収するので、太陽光の観測において可視光領域以外のスペクトル線は通常は見られない。

リュードベリの式[編集]

ボーアモデルにおける準位間のエネルギー差、つまり放出/吸収されるフォトンの波長は、リュードベリの公式によって与えられる。[3]

 {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)

ここでnは始状態のエネルギー準位、n′は終状態のエネルギー準位、Rリュードベリ定数である。[4] nn′より大きい場合にのみ、物理的に意味のある波長が得られる。

系列[編集]

紫外光における水素原子のスペクトル線のライマン系列

すべての波長は有効数字3桁まで与える。

ライマン系列 (n′ = 1)[編集]

n λ (nm)
2 122
3 103
4 97.3
5 95.0
6 93.8
\infty 91.2

1906-1914年にスペクトル線を発見したセオドア・ライマンにちなんで命名された。ライマン系列のすべての波長は紫外光領域に含まれる。[5][6]

バルマー系列 (n′ = 2)[編集]

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

1885年にバルマー系列を予測する実験式を発見したヨハン・ヤコブ・バルマーにちなんで命名された。バルマー系列のスペクトル線は、歴史的には「H-アルファ」、「H-ベータ」、「H-ガンマ」(Hは水素元素を表す)などと呼ばれている。[7] バルマー系列のうち波長が400 nm以上である4つのスペクトル線は、可視光である。バルマー系列の一部は太陽光スペクトルで見られる。H-アルファは天文学において水素の存在の観測に用いられる。

バルマー系列の4つの可視的な水素放出スペクトル線。右の赤い線がH-アルファである。


パッシェン系列 (n′ = 3)[編集]

n λ (nm)
4 1870
5 1280
6 1090
7 1020
8 954
\infty 820

1908年に最初に観測したドイツの物理学者フリードリッヒ・パッシェンにちなんで命名された。パッシェン系列のスペクトル線は全て赤外光である。[8]

ブラケット系列 (n′ = 4)[編集]

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

1922年に最初にスペクトル線を観測したアメリカの物理学者フレデリック・サムナー・ブラケットにちなんで命名された。[9]

プント系列 (n′ = 5)[編集]

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

1924年にオーガスト・ハーマン・プントによって実験的に発見された。[10]

ハンフリーズ系列 (n′ = 6)[編集]

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

アメリカの物理学者カーティス・ハンフリーズによって発見された。[11]

その他の系列(n′ > 6)[編集]

その他の系列は名前がつけられていないが、リュードベリの式によって同様にして決定される。波長が増加することで、系列は間隔が広がっていく。スペクトル線も次第に弱くなる。

関連項目[編集]

参考文献[編集]

  1. ^ “The Hydrogen 21-cm Line”, Hyperphysics (Georgia State University), (2004-10-30), http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/quantum/h21.html 2009年3月18日閲覧。 
  2. ^ Liboff, Richard L. (2002), Introductory Quantum Mechanics, Addison-Wesley, ISBN 0-8053-8714-5 
  3. ^ Bohr, Niels (1985), “Rydberg's discovery of the spectral laws”, in Kalckar, J., N. Bohr: Collected Works, 10, Amsterdam: North-Holland Publ., pp. 373–9 
  4. ^ “CODATA Recommended Values of the Fundamental Physical Constants: 2006” (PDF), Committee on Data for Science and Technology (CODATA) (NIST), http://physics.nist.gov/cuu/Constants/codata.pdf 
  5. ^ Lyman, Theodore (1906), “The Spectrum of Hydrogen in the Region of Extremely Short Wave-Length”, Memoirs of the American Academy of Arts and Sciences, New Series 13 (3): 125–146, ISSN 0096-6134, JSTOR 25058084, http://jstor.org/stable/25058084 
  6. ^ Lyman, Theodore (1914), “An Extension of the Spectrum in the Extreme Ultra-Violet”, Nature 93: 241, Bibcode 1914Natur..93..241L, doi:10.1038/093241a0 
  7. ^ Balmer, J. J. (1885), “Notiz uber die Spectrallinien des Wasserstoffs”, Annalen der Physik 261 (5): 80–87, Bibcode 1885AnP...261...80B, doi:10.1002/andp.18852610506, http://www3.interscience.wiley.com/journal/112487600/abstract 
  8. ^ Paschen, Friedrich (1908), “Zur Kenntnis ultraroter Linienspektra. I. (Normalwellenlängen bis 27000 Å.-E.)”, Annalen der Physik 332 (13): 537–570, Bibcode 1908AnP...332..537P, doi:10.1002/andp.19083321303, http://www3.interscience.wiley.com/journal/112500956/abstract 
  9. ^ Brackett, Frederick Sumner (1922), “Visible and infra-red radiation of hydrogen”, Astrophysical Journal 56: 154, Bibcode 1922ApJ....56..154B, doi:10.1086/142697 
  10. ^ Pfund, A. H. (1924), “The emission of nitrogen and hydrogen in infrared”, J. Opt. Soc. Am. 9 (3): 193–196, doi:10.1364/JOSA.9.000193 
  11. ^ Humphreys, C.J. (1953), “Humphreys Series”, J. Research Natl. Bur. Standards 50 

外部リンク[編集]