سلسلة الأطياف الهيدروجينية

السلسلة الطيفية للهيدروجين، على مقياس لوغاريتمي .

قُسِّم طيف انبعاث ذرة الهيدروجين إلى عدد من السلاسل الطيفية ، بأطوال موجية تُحددها صيغة ريدبيرغ . تُعزى هذه الخطوط الطيفية المرصودة إلى انتقالات الإلكترون بين مستويين طاقيين في الذرة. كان لتصنيف هذه السلاسل باستخدام صيغة ريدبيرغ دورٌ هام في تطور ميكانيكا الكم . وتُعد هذه السلاسل الطيفية ذات أهمية بالغة في علم الأطياف الفلكي للكشف عن وجود الهيدروجين وحساب الانزياحات الحمراء .

الفيزياء

انتقالات الإلكترون وأطوال موجاتها الناتجة في ذرة الهيدروجين. مستويات الطاقة ليست متناسبة مع المقياس.

تتكون ذرة الهيدروجين من نواة وإلكترون يدور حولها. تؤدي القوة الكهرومغناطيسية بين الإلكترون والبروتون النووي إلى مجموعة من الحالات الكمومية للإلكترون، لكل منها طاقته الخاصة. وقد صُوِّرت هذه الحالات في نموذج بور لذرة الهيدروجين على أنها مدارات متميزة حول النواة. يُرمز لكل مستوى طاقة، أو غلاف إلكتروني، أو مدار، بعدد صحيح n كما هو موضح في الشكل. استُبدل نموذج بور لاحقًا بميكانيكا الكم، حيث يشغل الإلكترون مدارًا ذريًا بدلًا من مدار عادي، لكن مستويات الطاقة المسموح بها لذرة الهيدروجين ظلت كما هي في النظرية السابقة.

يحدث الانبعاث الطيفي عندما ينتقل الإلكترون، أو يقفز، من مستوى طاقة أعلى إلى مستوى طاقة أدنى. ولتمييز المستويين، يُرمز عادةً إلى مستوى الطاقة الأدنى بـ n′ ، وإلى مستوى الطاقة الأعلى بـ n . تتناسب طاقة الفوتون المنبعث مع فرق الطاقة بين المستويين. ولأن طاقة كل مستوى ثابتة، فإن فرق الطاقة بينهما ثابت أيضًا، وبالتالي ينتج عن الانتقال دائمًا فوتون بنفس الطاقة.

تُصنَّف الخطوط الطيفية في سلاسل وفقًا لـ n′ . وتُسمى الخطوط بالتسلسل بدءًا من أطول طول موجي/أقل تردد في السلسلة، باستخدام الأحرف اليونانية داخل كل سلسلة. على سبيل المثال، يُسمى الخط 2 → 1 "ليمان ألفا" (Ly-α)، بينما يُسمى الخط 7 → 3 "باشن دلتا" (Pa-δ).

مخطط مستويات الطاقة للإلكترونات في ذرة الهيدروجين

توجد خطوط انبعاث من الهيدروجين تقع خارج هذه السلسلة، مثل خط 21 سم . تتوافق خطوط الانبعاث هذه مع أحداث ذرية نادرة للغاية، مثل الانتقالات فائقة الدقة . [ 1 ] كما ينتج عن البنية الدقيقة ظهور خطوط طيفية مفردة على شكل خطين أو أكثر متقاربة وأقل سمكًا، وذلك بسبب التصحيحات النسبية. [ 2 ]

في نظرية ميكانيكا الكم، استند الطيف المنفصل للانبعاث الذري إلى معادلة شرودنغر ، والتي تُخصص بشكل أساسي لدراسة أطياف الطاقة للذرات الشبيهة بالهيدروجين ، في حين أن معادلة هايزنبرغ المكافئة المعتمدة على الزمن مناسبة عند دراسة ذرة مدفوعة بموجة كهرومغناطيسية خارجية . [ 3 ]

في عمليات امتصاص أو انبعاث الفوتونات بواسطة الذرة، تسري قوانين الحفظ على النظام المعزول بأكمله ، مثل الذرة بالإضافة إلى فوتون. لذلك، فإن حركة الإلكترون في عملية امتصاص أو انبعاث الفوتون تكون مصحوبة دائمًا بحركة النواة، ولأن كتلة النواة محدودة دائمًا، فإن أطياف الطاقة للذرات الشبيهة بالهيدروجين تعتمد على الكتلة النووية . [ 3 ]

صيغة ريدبيرج

يتم إعطاء فروق الطاقة بين المستويات في نموذج بور، وبالتالي أطوال موجات الفوتونات المنبعثة أو الممتصة، بواسطة صيغة ريدبيرج: [ 4 ]1λ=Z2R(1ن2-1ن2){\displaystyle {\frac {1}{\lambda }}=Z^{2}R_{\infty }\left({\frac {1}{{n'}^{2}}}-{\frac {1}{n^{2}}}\right)}

أين

  • Z هو العدد الذري ،
  • ن' (غالباً ما يكتبن1{\displaystyle n_{1}}) هو العدد الكمي الرئيسي لمستوى الطاقة الأدنى،
  • ولان2{\displaystyle n_{2}}يمثل ) العدد الكمي الرئيسي لمستوى الطاقة الأعلى، و
  • R{\displaystyle R_{\infty }}هو ثابت ريدبيرج .1.096 77 × 10 7  م −1 للهيدروجين و1.097 37 × 10 7  م −1 للمعادن الثقيلة). [ 5 ] [ 6 ]

سيكون الطول الموجي دائمًا موجبًا لأن n′ يُعرَّف بأنه المستوى الأدنى، وبالتالي فهو أقل من n . هذه المعادلة صالحة لجميع الأنواع الشبيهة بالهيدروجين، أي الذرات التي تحتوي على إلكترون واحد فقط، وتُعطى الحالة الخاصة لخطوط طيف الهيدروجين بالمعادلة Z = 1.

مسلسل

سلسلة ليمان ( ن′  =  1)

سلسلة ليمان من الخطوط الطيفية لذرة الهيدروجين في الأشعة فوق البنفسجية

في نموذج بور، تتضمن سلسلة ليمان الخطوط المنبعثة من انتقالات الإلكترون من مدار خارجي ذي عدد كمي n > 1 إلى المدار الأول ذي العدد الكمي n' = 1.

سُميت هذه السلسلة نسبةً إلى مكتشفها، ثيودور ليمان ، الذي اكتشف الخطوط الطيفية بين عامي 1906 و1914. تقع جميع الأطوال الموجية في سلسلة ليمان ضمن نطاق الأشعة فوق البنفسجية . [ 7 ] [ 8 ]

نλ ، فراغ

(نانومتر)

2121.57
3102.57
497.254
594.974
693.780
91.175
المصدر: [ 9 ]

سلسلة بالمر ( ن′  =  2)

الخطوط الطيفية الأربعة المرئية لانبعاث الهيدروجين في سلسلة بالمر. خط H-alpha هو الخط الأحمر على اليمين.

تتضمن سلسلة بالمر الخطوط الناتجة عن الانتقالات من مدار خارجي n > 2 إلى المدار n' = 2.

سُميت هذه السلسلة نسبةً إلى يوهان بالمر ، مكتشف معادلة بالمر ، وهي معادلة تجريبية للتنبؤ بسلسلة بالمر، عام 1885. وتُعرف خطوط بالمر تاريخيًا باسم " H-alpha " و"H-beta" و"H-gamma" وما إلى ذلك، حيث يرمز H إلى عنصر الهيدروجين. [ 10 ] تقع أربعة من خطوط بالمر ضمن الجزء المرئي من الطيف، بأطوال موجية تتراوح بين 400  و700  نانومتر. ويمكن رؤية أجزاء من سلسلة بالمر في الطيف الشمسي . يُعد خط H-alpha خطًا مهمًا يُستخدم في علم الفلك للكشف عن وجود الهيدروجين.

نλ ، هواء

(نانومتر)

3656.3
4486.1
5434.0
6410.2
7397.0
364.6
المصدر: [ 9 ]

متسلسلة باشن (متسلسلة بور، n′  =  3)

سُميت هذه الخطوط نسبةً إلى الفيزيائي الألماني فريدريك باشين الذي رصدها لأول مرة عام ١٩٠٨. تقع جميع خطوط باشين في نطاق الأشعة تحت الحمراء . [ ١١ ] تتداخل هذه السلسلة مع سلسلة براكيت التالية، أي أن أقصر خط في سلسلة براكيت له طول موجي يقع ضمن سلسلة باشين. وتتداخل جميع السلاسل اللاحقة.

نλ ، هواء

(نانومتر)

41875
51282
61094
71005
8954.6
820.4
المصدر: [ 9 ]

متسلسلة براكيت ( ن′  =  4)

سميت على اسم الفيزيائي الأمريكي فريدريك سومنر براكيت الذي لاحظ الخطوط الطيفية لأول مرة في عام 1922. [ 12 ] تقع الخطوط الطيفية لسلسلة براكيت في نطاق الأشعة تحت الحمراء البعيدة.

نλ ، هواء

(نانومتر)

54051
62625
72166
81944
91817
1458
المصدر: [ 9 ]

سلسلة بفوند ( ن′  =  5)

تم اكتشافه تجريبياً في عام 1924 بواسطة أوغست هيرمان بفوند . [ 13 ]

نλ ، فراغ

(نانومتر)

67460
74654
83741
93297
103039
2279
المصدر: [ 14 ]

سلسلة همفريز ( ن′  =  6)

تم اكتشافه في عام 1953 من قبل الفيزيائي الأمريكي كورتيس ج. همفريز . [ 15 ]

نλ ، فراغ

(ميكرومتر)

712.37
87.503
95.908
105.129
114.673
3.282
المصدر: [ 14 ]

سلاسل أخرى ( ن′  >  6)

توجد سلاسل أخرى غير مُسماة، لكنها تتبع النمط والمعادلة نفسيهما كما تنص عليهما معادلة ريدبيرغ. تتباعد السلاسل بشكل متزايد وتظهر عند أطوال موجية متزايدة. كما أن الخطوط تصبح خافتة بشكل متزايد، مما يتوافق مع أحداث ذرية نادرة بشكل متزايد. تم إثبات السلسلة السابعة للهيدروجين الذري تجريبياً لأول مرة عند أطوال موجية تحت الحمراء في عام 1972 بواسطة بيتر هانسن وجون سترونج في جامعة ماساتشوستس أمهيرست. [ 16 ]

ملخص السلسلة

يوضح الجدول التالي الأطوال الموجيةλ{\displaystyle \lambda }في نطاق النانومترات من الفوتونات المنبعثة أثناء انتقال الإلكترون منن{\displaystyle n}لن{\displaystyle n'}لاحظ أن الأطوال الموجية خاصة بالفوتونات في الهواء لسلسلة بالمر، وباشن، وبراكيت، بينما هي خاصة بالفوتونات في الفراغ لسلسلة ليمان، وبفوند، وهمفريز.

ن
ن
1

(سلسلة ليمان)

2

(سلسلة بالمر)

3

(سلسلة باشين)

4

(سلسلة براكيت)

5

(سلسلة بفند)

6

(سلسلة همفريز)

2121.57
3102.57656.3
497.254486.11875
594.974434.012824051
693.780410.2109426257460
7397.010052166465412.37×10 3
8954.6194437417.503×10 3
9181732975.908×10 3
1030395.129×10 3
114.673×10 3
{\displaystyle \infty }91.175364.6820.4145822793.282×10 3

التوسع ليشمل أنظمة أخرى

يمكن تطبيق مفاهيم صيغة ريدبيرغ على أي نظام يحتوي على جسيم واحد يدور حول نواة، مثل أيون الهيليوم الموجب ( He +) أو ذرة الميونيوم الغريبة. يجب تعديل المعادلة بناءً على نصف قطر بور للنظام ؛ وستكون الانبعاثات ذات طبيعة مماثلة ولكن في نطاق طاقات مختلف. نُسبت سلسلة بيكرينغ-فاولر في الأصل إلى شكل غير معروف من الهيدروجين ذي مستويات انتقال نصف عددية من قِبل كل من بيكرينغ [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] وفاولر [ 20 لكن بور أدركها بشكل صحيح على أنها خطوط طيفية ناتجة عن أيون الهيليوم الموجب (He +) [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ] .

تحتوي جميع الذرات الأخرى على إلكترونين على الأقل في حالتها المتعادلة ، وتجعل التفاعلات بين هذه الإلكترونات تحليل الطيف باستخدام الطرق البسيطة الموصوفة هنا غير عملي. كان استنتاج صيغة ريدبيرغ خطوةً هامةً في الفيزياء، ولكن استغرق الأمر وقتًا طويلاً قبل أن يُمكن تطبيقها على أطياف العناصر الأخرى.

انظر أيضاً

مراجع

  1. "خط الهيدروجين 21 سم" . هايبرفيزيكس . جامعة ولاية جورجيا . 30 أكتوبر 2005. تاريخ الاسترجاع: 18 مارس 2009 .
  2. ليبوف، ريتشارد ل. (2002). مقدمة في ميكانيكا الكم . أديسون-ويسلي . ISBN 978-0-8053-8714-8.
  3. 1 2 أندرو، أ. ف. (2006). "2. معادلة شرودنغر ". التحليل الطيفي الذري. مقدمة نظرية البنية فائقة الدقة . سبرينغر. ص 274. ISBN  978-0-387-25573-6.
  4. بور، نيلز (1985)، "اكتشاف ريدبيرغ للقوانين الطيفية"، في كالكر، ج. (محرر)، ن . بور: الأعمال الكاملة ، المجلد 10، أمستردام: دار نشر نورث هولاند، الصفحات 373-379  
  5. موهر، بيتر جيه؛ تايلور، باري إن؛ نيويل، ديفيد بي (2008). "القيم الموصى بها من قِبل CODATA للثوابت الفيزيائية الأساسية: 2006" (ملف PDF) . مراجعات الفيزياء الحديثة . 80 (2): 633-730 . arXiv : 0801.0028 . Bibcode : 2008RvMP...80..633M . CiteSeerX : 10.1.1.150.3858 . doi : 10.1103/RevModPhys.80.633 . 
  6. "طاقات الهيدروجين وطيفها" . hyperphysics.phy-astr.gsu.edu . تم الاطلاع عليه بتاريخ 26-06-2020 .
  7. ليمان، ثيودور (1906)، "طيف الهيدروجين في منطقة الطول الموجي القصير للغاية"، مذكرات الأكاديمية الأمريكية للفنون والعلوم ، السلسلة الجديدة، 23 (3): 125-146 ، Bibcode : 1906MAAAS..13..125L ، doi : 10.2307/25058084 ، JSTOR 25058084 . نُشر أيضًا في مجلة الفيزياء الفلكية ، 23 : 181، 1906، رمز Bibcode : 1906ApJ....23..181L ، doi : 10.1086/141330{{citation}}: CS1 maint: untitled periodical ( link ) .
  8. ليمان، ثيودور (1914)، "امتداد الطيف في الأشعة فوق البنفسجية القصوى" ، مجلة نيتشر ، 93 (2323): 241، رمز Bibcode : 1914Natur..93..241L ، doi : 10.1038/093241a0
  9. 1 2 3 4 ويز، دبليو إل؛ فوهر، جيه آر (2009)، "احتمالات الانتقال الذري الدقيقة للهيدروجين والهيليوم والليثيوم" ، مجلة البيانات المرجعية الفيزيائية والكيميائية ، 38 (3): 565، رمز Bibcode : 2009JPCRD..38..565W ، doi : 10.1063/1.3077727
  10. ^ بالمر، جي جي (1885)، “Notiz uber die Spectrallinien des Wasserstoffs” ، Annalen der Physik ، 261 (5): 80–87 ، بيب كود : 1885AnP...261...80B ، دوى : 10.1002/andp.18852610506
  11. ^ باشين ، فريدريش (1908)، “Zur Kenntnis Ultraroter Linienspektra. I. (Normalwellenlängen bis 27000 Å.-E.)” ، Annalen der Physik ، 332 (13): 537–570 ، بيب كود : 1908AnP...332..537P ، دوى : 10.1002/وp.19083321303{{citation}}: CS1 maint: deprecated archiveal service ( link )
  12. براكيت، فريدريك سومنر (1922)، "الإشعاع المرئي والأشعة تحت الحمراء للهيدروجين"، المجلة الفيزيائية الفلكية ، 56 : 154، Bibcode : 1922ApJ....56..154B ، doi : 10.1086/142697 ، hdl : 2027/uc1.$b315747 ، S2CID 122252244 
  13. بفوند، أ.هـ. (1924)، "انبعاث النيتروجين والهيدروجين في الأشعة تحت الحمراء"، مجلة الجمعية البصرية الأمريكية ، 9 (3): 193-196 ، رمز Bibcode : 1924JOSA....9..193P ، doi : 10.1364/JOSA.9.000193
  14. 1 2 كراميدا، أ.إ. وآخرون (نوفمبر 2010). "تجميع نقدي للبيانات التجريبية حول الخطوط الطيفية ومستويات الطاقة للهيدروجين والديوتيريوم والتريتيوم". جداول البيانات الذرية والنووية . 96 (6): 586-644 . Bibcode : 2010ADNDT..96..586K . doi : 10.1016/j.adt.2010.05.001 . 
  15. همفريز، سي جيه (1953)، "السلسلة السادسة في طيف الهيدروجين الذري"، مجلة البحوث التابعة للمكتب الوطني للمعايير ، 50 : 1، doi : 10.6028/jres.050.001
  16. هانسن، بيتر؛ سترونغ، جون (1973). "السلسلة السابعة للهيدروجين الذري". البصريات التطبيقية . 12 (2): 429-430 . Bibcode : 1973ApOpt..12..429H . doi : 10.1364/AO.12.000429 . PMID 20125315 . 
  17. بيكرينغ، إي سي (1896). "نجوم ذات أطياف مميزة. نجوم متغيرة جديدة في كوكبتي الصليب الجنوبي والدجاجة". نشرة مرصد كلية هارفارد . 12 : 1-2 . رمز Bibcode : 1896HarCi..12....1P . نُشر أيضًا تحت عنوان: بيكرينغ، إي سي ؛ فليمنغ، دبليو بي (1896). "نجوم ذات أطياف مميزة. نجوم متغيرة جديدة في كوكبتي الصليب الجنوبي والدجاجة" . المجلة الفيزيائية الفلكية . 4 : 369-370 . رمز Bibcode : 1896ApJ.....4..369P . doi : 10.1086/140291 .
  18. بيكرينغ، إي سي (1897). "نجوم ذات أطياف مميزة. نجوم متغيرة جديدة في كوكبتي الصليب الجنوبي والدجاجة" . أخبار فلكية . 142 (6): 87-90 . رمز Bibcode : 1896AN....142...87P . doi : 10.1002/asna.18971420605 .
  19. بيكرينغ، إي سي (1897). "طيف زيتا بابيس" . المجلة الفيزيائية الفلكية . 5 : 92-94 . Bibcode : 1897ApJ.....5...92P . doi : 10.1086/140312 .
  20. فاولر، أ. (1912). "ملاحظات على الخطوط الرئيسية وسلاسل أخرى من الخطوط في طيف الهيدروجين" . الإشعارات الشهرية للجمعية الفلكية الملكية . 73 (2): 62-63 . Bibcode : 1912MNRAS..73...62F . doi : 10.1093/mnras/73.2.62 .
  21. بور، ن. (1913). "أطياف الهيليوم والهيدروجين" . مجلة نيتشر . 92 (2295): 231-232 . Bibcode : 1913Natur..92..231B . doi : 10.1038/092231d0 . S2CID 11988018 . 
  22. هوير، أولريش (1981). "بنية الذرات والجزيئات" . في هوير، أولريش (محرر). نيلز بور - الأعمال الكاملة: المجلد 2 - أعمال في الفيزياء الذرية (1912-1917) . أمستردام: شركة نورث هولاند للنشر . الصفحات 103-316 (خاصة الصفحات 116-122). ISBN  978-0720418002.
  23. ^ روبوتي، نادية (1983). “طيف ζ Puppis والتطور التاريخي للبيانات التجريبية”. دراسات تاريخية في العلوم الفيزيائية . 14 (1): 123-145 . دوى : 10.2307 / 27757527 . جستور 27757527 . 

شعار ويكيميديا ​​كومنزالوسائط المتعلقة بسلسلة الأطياف الهيدروجينية على ويكيميديا ​​كومنز