Излучение и поглощение света атомом водорода

 

Расчеты показывают, что вероятность P нахождения электрона с энергией E_n внутри атома водорода не зависит от времени и не изменяется с течением времени. Следовательно, энергетическое состояние электрона, характеризуемое определенной энергией E_n, является стационарным. Находясь в этом состоянии, электрон не излучает энергии.

Стационарное состояние атома должно сохраняться как угодно долго, если нет внешних причин, вызывающих изменение энергии атома. Однако, как показывает опыт и доказывает квантовая физика, атом, находящийся в возбужденном энергетическом состоянии E_n, сам собой переходит в более низкое энергетическое состояние E_m (спонтанное излучение). Каждый переход из состояния n в состояние m сопровождается излучением спектральной линии с частотой ν, причем

 

(85.1)

 

где hν — энергия испускаемого фотона.

При взаимодействии с электромагнитным полем атом, находящийся на уровне m может поглотить фотон с энергией

 

(85.2)

 

и перейти в более высокое энергетическое состояние n — происходит поглощение света.

l = 2 l = 1 l = 0 l = 1 l = 0   l = 0

Согласно выражениям (85.1) и (85.2), число линий в спектрах излучения и поглощения может быть произвольно велико. Однако это не так. Теория показывает, что существуют особые правила отбора, ограничивающие число возможных переходов электрона в атоме, связанных с испусканием и поглощением света. Расчеты показывают, что для атома водорода энергетические переходы возможны только при изменении орбитального квантового числа на единицу: (см. рис. 85.1, на котором в виде горизонтальных линий представлены энергетические уровни, в виде вертикальных стрелок — возможные энергетические переходы в атоме водорода).

Можно определить частоту спектральных линий атома водорода по формуле

 

(85.3)

 

где m и n — целые числа; R — постоянная Ридберга.

 

 

Тщательные исследования спектра атома водорода показали, что в нем наблюдается шесть серий спектральных линий:

— в ультрафиолетовой области

серия Лаймана: m = 1, n =2, 3, 4, …;

— в видимой области

серия Бальмера: m = 2, n =3, 4, 5, …;

— в инфракрасной области

серия Пашена: m = 3, n =4, 5, 6, …;

серия Брэкета: m = 4, n =5, 6, 7, …;

серия Пфунда: m = 5, n =6, 7, 8, …;

серия Хэмфри: m = 6, n =7, 9, 9, … .

 

 

Пример 85.1. Определить длину волны линии спектра испускания атома водорода, излучаемой при переходе электрона с четвертого энергетического уровня на второй.

Дано:   n = 4   m = 2	Решение     .
λ – ?

 

 

Ответ: