خطوط طيف الهيدروجين

يفسر ظهور خطوط طيف الهيدروجين بقفزات معينة للإلكترون بين مستويات الطاقة لذرة الهيدروجين . وأبسط نموذج لذرة الهيدروجين يعطيه نموذج بور الذي اقترحه العالم الدانمركي نيلز بور عام 1913 . طبقاً لهذا النموذج، عندما يقفز الإلكترون من مستوى طاقة عالي إلى مستوى طاقة منخفض فإنه يُصدر فوتونا له طول موجة معينة .

انتقالات الإلكترون بين مستويات الطاقة المختلفة وأطوال موجة الضوء الناتجة عنها
. مجموعة خطوط لايمان : انتقالات إلى n=1 .
. مجموعة خطوط بالمر: انتقالات إلى مدار n=2 .
. مجموعة خطوط باشين : انتقالات إلى المدار n=3 ...الخ

تجمع خطوط الطيف في مجموعات أو مسلسلات . وتبدأ كل مجموعة بالخط ذو أطول موجة(أو أقل تردد) فيها . وتستخدم لها حروفا يونانية تعبر عن كل مسلسلة . وعل سبيل المثال : الخط 2 ← 1 يسمى "لايمان-ألفا" Ly-α، بينما الخط 7 ← 3 فيسمى "باشين-دلتا" Pa-δ . وبعض خطوط طيف الهيدروجين تقع خارج تلك المسلسلات، مثل خط الهيدروجين ذو طول الموجة 21 سنتيمتر . ولكن مثل هذا الخط يحدث عن انتقالات نادرة للإلكترون في ذرة الهيدروجين، ويسمى هذا الانتقال "انتقال بنية فائقة الدقة . [1] كذلك تؤدي البنية الدقيقة للذرة إلى خطوط طيف تظهر مزدوجة أو أكثر من خطين تكون قريبة من بعضها جداً، وهي ناشئة عن تأثيرات النظرية النسبية على الإلكترون (أي بسبب سرعات للإلكترون قريبة من سرعة الضوء في الذرة). [2]

نستطيع رؤية تلك الخطوط في طيف الهيدروجين في المختبر عندما تكون العينة نقية . وبعض تلك الخطوط يكون خافتا، ويمكن أن يختلط بخطوط من عناصر أخرى (مثل خطوط الهيليوم إذا استخدمنا ضوء الشمس، أو خطوط النيتروجين إذا كان التحليل في الهواء) . أما الخطوط خارج الطيف المرئي فهي لا يمكن رؤيتها في ضوء الشمس حيث أن جو الارض يمتص معظم أطوال موجات الأشعة تحت الحمراء والأشعة فوق البنفسجية.

تعطي معادلة ريدبرج فرق الطاقة بين مستويين في نموذج بور لذرة الهيدروجين، وبذلك تعطي أطوال الموجات الضوئية (فوتون الصادرة من الذرة أو الممتصة فيها .

[3]

${\displaystyle {1 \over \lambda }=R\left({1 \over (n)^{2}}-{1 \over (n^{\prime })^{2}}\right)\qquad \left(R=1.097373\times 10^{7}\ \mathrm {m} ^{-1}\right)}$

حيث :

n مستوى الطاقة الباديء منه الإلكترون،

n' مستوي الطاقة النهائي،

R ثابت ريدبرج.[4]

تعطي تلك المعادلة قيما حقيقية عندما تكون n أكبر من n'.

تنتسب كل مجموعة أو مسلسلة من خطوط الطيف إلى المدار التحتي الذي يقفز إليه الإلكترون في ذرة الهيدروجين . فمثلا مجموعة خطوط لايمان تتم قفزات الإلكترون فيها إلى المدار رقم 1 . أما مجموعة بالمر مثلا فجميعها قفزات للإلكترون من أعلى إلى المدار رقم 2 (أنظر الصورة)، وهكذا .

مجموعة لايمان (n′ = 1)

•  مقالة مفصلة: مجموعة خطوط لايمان

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

مجموعة خطوط لايمان لذرة الهيدروجين في نطاق الأشعة فوق البنفسجية.

سميت تلك المسلسلة باسم مكتشفها ثيودور لايمان الذي اكتشف خطوط الطيف بين 1906 إلى 1914 . جميع خطوط مجموعة لايمان توجد في نطاق الأشعة فوق البنفسجية . [5][6]

مجموعة خطوط بالمر (n′ = 2)

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

تسمى مجموعة الخطوط هذه باسم مكتشفها يوهان بالمر الذي اكتشف معادلة بالمر معمليا وقام بصياغة المعادلة على أساس ما قام بقياسه بالمختبر. كان ذلك في عام 1885 . ويرمز إلى خطوط بالمر بالرموز : "إتش-ألفا" و، "H-beta" و، "H-gamma" ....وهكذا، حيث ترمز H إلى الهيدروجين .[7]

اربعة خطوط من خطوط بالمر تظهر في نطاق الضوء المرئي بأطوال موجة أطول من 400 نانومتر وأقصر من 700 نانومتر. وبعض خطوط بالمر يمكن رياها أيضا في طيف الشمس . ويتبوأ خط H-alpha مركزا هاما في علم الفلك حيث يستخدم لاكتشاف الهيدروجين .

الأربعة خطوط المرئية في مجموعة بالمر .الخط H-alpha هو الخط الأحمر إلى اليمين.

مجموعة خطوط باشين (مسلسلة بور) (n′ = 3)

(n)	λ (nm)
4	1870
5	1280
6	1090
7	1005
8	954
${\displaystyle \infty }$	820

تسمى تلك المجموعة باسم مكتشفها العالم النمساوي الألماني "فريدريش باشين"، وقد اكتشفها في عام 1908. تقع جميع خطوط مجموعة باشين في حيز الأشعة تحت الحمراء، أي أننا لا نستطيع رؤياها بالعين المجردة، ولكن توجد كاميرات لتصويرها . [8]

مجموعة خطوط براكيت (n′ = 4)

(n)	λ (nm)
5	4050
6	2620
7	2160
8	1940
9	1820
${\displaystyle \infty }$	1460

تسمى تلك المجموعة باسم مكتشفها الفيزيائي الأمريكي "فريدريك براكيت" وقد اكتشفها في عام 1922. [9]

مجموعة خطوط بفوند (n′ = 5)

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

اكتشفها الفيزيائي "أوجوست بفوند" عام 1924 . [10]

مجموعة خطوط همفريز (n′ = 6)

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

واكتشفها الفيزيائي الأمريكي "كورتيس همفريز" وقام بنشرها في عام 1953 . [11]

يمكن تطبيق معادلة ريدبرج عل انظمة أخرى لها إلكترون واحد يدور حول النواة، مثل أيون He⁺ أو ذرة ميونيوم الغريبة . في تلك الأنظمة يجب تعديل المعادلة بالنسبة إلى نصف قطر بور، فتكون الإصدارات الفوتونات بنفس المنظومة لكن سيختلف حيز طاقاتها عن تلك المعروفة للهيدروجين.

أما الذرات الاخرى فهي تحوي إلكترونين أو أكثر والتآثر بين الإلكترونات يجعل تحليل طيف تلك الذرات غير عمليا . وقد كان استنباط معادة ريدبرج عملا عظيما في الفيزياء، واستنبطت قبل دراسة أطياف العناصر التي تحتوي على إلكترونين أو أكثر.

في نفس الوقت تأيد معادلة ريدبرج واستنتاجها لمسلسلة طيف الهيدروجين أن معلوماتنا عن ذرة الهيدروجين صحيحة، وخصوصا وأن نظرية الكم تبعه ابتكار الفزيائيين لميكانيكا الكم التي تصف ذرة الهيدروجين وسلوك الإلكترون فيها وصفا دقيقا . ومن المعروف أن هايزنبرج الذي يرجع إليه ابتكار ميكانيكا الكم قد قام بذلك مبتدءا بطيف الهيدروجين، وحل المسألة بطريقة المصفوفات حيث تؤدي بعض عناصر المصفوف إلى إصدار فوتونا أما الأخرى فلا ينتج منها اصدار فوتون.

• إتش-ألفا
• ذرة الهيدروجين
• ضوء
• أشعة غاما
• أشعة سينية
• إشعاع سيكلوتروني
• سديم إشعاعي
• بولومتر
• موجة كهرومغناطيسية
• قانون فين للإزاحة
• قانون بلانك
• هيكل دقيق
• ميونيوم

• بوابة الفيزياء
• بوابة كيمياء فيزيائية
• بوابة الكيمياء

في كومنز صور وملفات عن: خطوط طيف الهيدروجين