Balmerシリーズ

原子や分子は、エネルギーを吸収したり放出したりするときに、非常に興味深い振る舞いを示します。原子内の電子は、伝統的に基底状態と呼ばれる最も低いエネルギー状態で存在し、nが1に等しいとラベル付けされています。しかし、原子がエネルギーを吸収すると、電子は励起され、より高いエネルギーレベルに移動します。電子が低エネルギー状態または基底状態に緩和されると、過剰なエネルギーは放出された光として放出されます。

これらのエネルギー状態は、原子を殻または軌道内の電子を周回する原子核として説明するボーアモデルに描かれているため、よく知られているかもしれません。これらのシェルはエネルギー準位と同じで、nでラベル付けされています。放出される光の波長は、高エネルギーレベルと低エネルギーレベルの違いによって異なります。高エネルギー放出光は、高エネルギー準位から弛緩する電子から生じ、低エネルギー放出光は、低エネルギー準位から弛緩する電子から生じる。

発光スペクトルは、さまざまな波長にわたって放出される放射線の尺度です。純粋な元素種では、発光挙動は広いスペクトルではなく、特定の波長の線として現れます。原子が異なればエネルギー準位も異なるため、これらのスペクトル線は元素ごとに異なり、励起時に電子がエネルギー状態間でどのような遷移をとるかにも依存します。たとえば、水素には 6 つの名前付きスペクトル線シリーズがあり、そのうちの 1 つがバルマー級数です。

バルマー級数のスペクトル線は、電子がn = 3より高いエネルギー準位からn = 2に戻るときに発生します。バルマーシリーズの可視光スペクトルは、410、434、486、および656nmのスペクトル線として表示されます。hアルファ線は656nmの赤い線で、n = 3からn = 2への遷移によって発生します。シアン、青、紫の線は、それぞれn = 4、5、6からn = 2に戻るエネルギー準位遷移に対応します。追加のスペクトル線は、可視範囲外で測定できます。

ヨハン・バルマーは、バルマーの公式を使用して可視線を定量化しました。ここで、ラムダは観測された波長、cは定数、nは2つの低いエネルギーレベル、mは高いエネルギーレベルです。バルマー方程式とボーアモデルの組み合わせにより、多くの異なる元素のスペクトル線を記述するリュードベリ方程式が得られます。この式では、ラムダは記録された波長、_RHはリュードベリ定数です。n-initialでマークされた初期レベルは、電子が励起するより高いエネルギーレベルを表し、nfinalは電子がリラックスして戻る低いエネルギーレベルです。Balmer 級数の場合、_{n final} = 2 です。

このラボでは、水素、ヘリウム、ネオンの発光スペクトルを測定および観測し、リュードベリ方程式を使用してスペクトル線の位置を決定します。