Серия Лаймана

Серия Лаймана

Се́рия Ла́ймана — серия спектральных линий в спектре атома водорода. Эта серия образуется при переходах электронов с возбуждённых энергетических уровней на первый невозбуждённый уровень основного состояния атома водорода в спектре излучения (эмисиионном спектре) и с первого уровня на все остальные в спектре поглощении.

Переход с ближайшего верхнего уровня на некоторый уровень во всех спектральных сериях водорода обозначается греческой буквой ${\displaystyle \alpha ,}$ со следующего — буквой ${\displaystyle \beta }$ и т. д. Для обозначения самой серии Лаймана используется либо латинская буква ${\displaystyle L}$, либо сокращение ${\displaystyle Ly}$. Таким образом, полное обозначение спектральной линии, возникающей при переходе электрона со второго уровня на первый — ${\displaystyle L_{\alpha }}$ или ${\displaystyle Ly}$_α (произносится: Лайман альфа), с третьего ${\displaystyle L_{\beta }}$ или ${\displaystyle Ly}$_β и т. д.

Серия названа в честь американского физика Теодора Лаймана, открывшего эту серию в 1906 году.

Серия Лаймана

Формула Ридберга для серии Лаймана выглядит следующим образом:

${\displaystyle {1 \over \lambda }=R_{\text{H}}\left({\frac {1}{1^{2}}}-{\frac {1}{n^{2}}}\right)\qquad \left(R_{\text{H}}\approx 1{,}0968{\times }10^{7}\,{\text{m}}^{-1}\approx {\frac {13{,}6\,{\text{eV}}}{hc}}\right),}$

где ${\displaystyle n}$ — главное квантовое число — натуральное число большее либо равное 2;

${\displaystyle R_{H}}$ — постоянная Ридберга для атома водорода.

Самая коротковолновая граница серии Лаймана 91,175 нм, что соответствует энергии 13,6 эВ — минимальной энергии ионизации невозбуждённого атома водорода. С этой стороны в наблюдаемом спектре водорода к серии Лаймана примыкает сплошной спектр, соответствующей энергиям превышающим энергию связи электрона и протона в атоме водорода.

Все линии серии Лаймана находятся в ультрафиолетовом диапазоне:

n	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	${\displaystyle \infty }$
Длина волны, нм	121,6	102,5	97,2	94,9	93,7	93,0	92,6	92,3	92,1	91,9	91,15

Применение

Длина волны 91,15 нм называется пределом серии Лаймана. Самые древние звёзды состоят преимущественно из водорода, поэтому в их спектре нет спектральных линий короче этого предела. Вследствие этого резкое падение интенсивности их спектра в коротковолновой части может быть однозначно интерпретировано как наблюдение предела Лаймана. При этом из-за расширения Вселенной предел Лаймана испытывает красное смещение, которое может быть вычислено по наблюдаемой длине волны предела и известному значению для покоящегося относительно наблюдателя газа. Кроме того, существует связь между красным смещением и расстоянием до звезды. Таким образом, наблюдение предела Лаймана позволяет определять расстояние до далёких и древних звёзд.

Линии серии Лаймана представляют особый интерес для астрономов, изучающих звезды и галактики по красному смещению. Из-за красного смещения свет далёких галактик и квазаров находится частично в видимом или инфракрасном спектральном диапазоне, что позволяет исследовать крупномасштабное распределение водорода во Вселенной по анализу поглощения линии Лайман-альфа в межгалактическом нейтральном водороде даже наземными обсерваториями (см. Лес Лайман-альфа)^[1].

Ещё одна область применения — метеорология. Гигрометры, принцип действия которых основано на измерении интенсивности линии Лайман-α используются для измерения влажности верхних слоёв атмосферы, оборудование устанавливается на исследовательских самолётах^[2].

Примечания

1. Из-за поглощения ультрафиолетового излучения в атмосфере Земли линия Лайман-альфа может наблюдаться только если объекты имеют большое красное смещения.
2. Хайкин С. М., Юшков В. А., Коршунов Л. И., Лукьянов А. Н., Померо Ж.-П., Нильсен Й., Фомель Х. Влажность тропической нижней стратосферы: наблюдения и анализ. 2010 г.  (неопр.) Дата обращения: 22 мая 2021. Архивировано 22 мая 2021 года.

См. также

• Модель Бора
• Спектральные серии водорода
• Формула Бальмера — Ридберга
• Серия Бальмера
• Серия Пашена
• Серия Брэккета
• Серия Пфунда
• Лес Лайман-альфа
• Атом водорода

Ссылки

• Спектр водорода (анимация)