水素スペクトル系列のソースを表示

[[File:Hydrogen spectrum.svg|right|thumb|400px|[[対数]]スケールで表した、水素のスペクトル系列]]
[[File:Hydrogen transitions.svg|right|thumb|400px|水素における電子遷移とその結果生じるフォトンの波長。この図ではエネルギー準位のスケールが正確な描写ではないことに注意。]]
[[水素原子]]の[[発光スペクトル]]は、{{仮リンク|リュードベリの式|en|Rydberg formula}}によって与えられる波長によって、いくつかの'''スペクトル系列'''に分けられる。観測される[[スペクトル線]]は[[原子]]の[[エネルギー準位]]間の電子[[遷移]]により生じる。スペクトル系列は、[[天文学]]において水素の存在の観測と[[赤方偏移]]の計算のため重要である。[[分光法]]の発展によって多くの系列が発見されている。

== 物理学 ==
[[物理学]]において、原子のスペクトル線は、それぞれ[[電子]]の[[エネルギー準位]]間の遷移に伴う[[吸光]]・[[発光]]により説明される。水素のスペクトル線を説明できる最も古くシンプルなモデルは、[[ニールス・ボーア]]によって考案された[[ボーアの原子模型]]である。電子が高いエネルギー状態から低いエネルギー状態へ遷移する場合、特定の[[波長]]を持つ[[光子|フォトン]]が放出され、低いエネルギー状態から高いエネルギー状態への遷移の場合、同じ波長を持つフォトンが吸収される。

スペクトル線は後述するように {{Mvar|n}} の値によって複数の系列にグループ分けされる。スペクトル線は系列の最大波長/最低周波数から、[[ギリシア文字|ギリシャ文字]]を用いて命名されていく。例えば、{{nowrap|2 &rarr; 1}}のスペクトル線は「[[ライマン系列|ライマン]]-アルファ(Ly-α)」、{{nowrap|7 &rarr; 3}} のスペクトル線は「パッシェン-デルタ」(Pa-δ)である。{{Val|21|ul=cm}} のスペクトル線など、いくつかの水素のスペクトル線はこれらの系列に含まれない。これらは[[超微細構造|超微細]]遷移などの遷移に相当する<ref>{{citation|title=The Hydrogen 21-cm Line|year=|last=|first=|date=2004-10-30|url=http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/quantum/h21.html|work=[[:en:Hyperphysics]]|publisher=[[:en:Georgia State University]]|isbn=|accessdate=2009-03-18}}</ref>。[[微細構造 (原子物理学)|微細構造]]が区別できる場合、1本のスペクトル線は[[相対論的量子力学|相対論的]]な補正によって2つ以上の細い線として現れる<ref>{{citation|title=Introductory Quantum Mechanics|year=2002|last=Liboff|first=Richard L.|author-link=:en:Richard Liboff|publisher=Addison-Wesley|isbn=0-8053-8714-5}}</ref>。スペクトル系列は、実験系では純粋な水素からのみ観測できる。多くのスペクトル線は通常見えにくく、[[ヘリウム]]や[[窒素]]などの他の元素による余分なスペクトル線により隠れてしまうことが多い{{要出典|date=2016年9月}}。[[地球の大気]]は多くの[[赤外線|赤外光]]と[[紫外線|紫外光]]を吸収するので、地表で行う[[太陽光]]の観測においては[[可視光線|可視光]]領域以外のスペクトル線は通常見られない{{要出典|date=2016年9月}}。

== リュードベリの式 ==
ボーアモデルにおける準位間のエネルギー差、つまり放出/吸収されるフォトンの波長は、リュードベリの公式によって与えられる<ref>{{citation|title=N. Bohr: Collected Works|year=1985|last=Bohr|first=Niels|author-link=ニールス・ボーア|volume=10|pages=373–9|chapter=Rydberg's discovery of the spectral laws|publication-place=Amsterdam|publisher=North-Holland Publ.|editor-last=Kalckar|editor-first=J.|isbn=}}</ref>。

:<math> {1 \over \lambda} = R_{\infty} \left| {1 \over (n^\prime)^2} - {1 \over n^2} \right| \qquad \left( R_{\infty} = 1.097\,373\,156\,8508 \times 10^7 \ \mathrm{m}^{-1} \right)</math>

ここで {{Mvar|n}} は始状態の[[主量子数]]、{{Mvar|n&prime;}} は終状態の主量子数、{{Mvar|R<sub>&infin;</sub>}} は[[リュードベリ定数]]である<ref name="CODATA">{{Cite web|url=http://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?Ry|title=Rydberg constant|accessdate=2016-9-27|work=2014 CODATA recommended values|publisher=NIST}}</ref>。

== 系列 ==
[[File:LymanSeries.svg|thumb|right|400px|紫外光における[[水素原子]]のスペクトル線の[[ライマン系列]]]]
すべての波長は有効数字3桁まで与える。

=== ライマン系列 ({{Math|1=''n''&prime; = 1}}) ===
{{main|ライマン系列}}1906-1914年にスペクトル線を発見した[[セオドア・ライマン]]にちなんで命名された。ライマン系列のすべての波長は[[紫外線|紫外光]]領域に含まれる<ref>{{citation|title=The Spectrum of Hydrogen in the Region of Extremely Short Wave-Length|year=1906|last=Lyman|first=Theodore|author-link=セオドア・ライマン|jstor=25058084|series=New Series|journal=Memoirs of the American Academy of Arts and Sciences|volume=13|issue=3|pages=125–146|publisher=|isbn=|issn=0096-6134}}</ref><ref>{{citation|title=An Extension of the Spectrum in the Extreme Ultra-Violet|year=1914|last=Lyman|first=Theodore|author-link=セオドア・ライマン|journal=Nature|volume=93|pages=241|publisher=|bibcode=1914Natur..93..241L|doi=10.1038/093241a0|isbn=}}</ref>。
{| class="wikitable" border="1" style="float:left"
|- 
! <math>n</math> !! λ (nm)
|- 
|2 || 122
|- 
|3 || 103
|- 
|4 || 97.3
|- 
|5 || 95.0
|- 
|6 || 93.8
|- 
|<math>\infty</math> || 91.2
|}
{{-}}

===  バルマー系列 ({{Math|1=''n''&prime; = 2}}) ===
{{main|バルマー系列}}1885年にバルマー系列を予測する実験式を発見した[[ヨハン・ヤコブ・バルマー]]にちなんで命名された。バルマー系列のスペクトル線は、歴史的には「[[H-アルファ]]」、「H-ベータ」、「H-ガンマ」（Hは水素元素を表す）などと呼ばれている<ref>{{citation|title=Notiz uber die Spectrallinien des Wasserstoffs|year=1885|last=Balmer|first=J. J.|author-link=ヨハン・ヤコブ・バルマー|url=http://www3.interscience.wiley.com/journal/112487600/abstract|journal=Annalen der Physik|volume=261|issue=5|pages=80–87|publisher=|bibcode=1885AnP...261...80B|doi=10.1002/andp.18852610506|isbn=}}</ref>。バルマー系列のうち波長が {{Val|400|ul=nm}} 以上である4つのスペクトル線は、可視光である。バルマー系列の一部は[[フラウンホーファー線|太陽光スペクトル]]で見られる。H-アルファは天文学において水素の存在の観測に用いられる。
{| class="wikitable" border="1" style="float:left"
|- 
! <math>n</math> !! λ (nm)
|- 
|3 || 656
|- 
|4 || 486
|- 
|5 || 434
|- 
|6 || 410
|- 
|7 || 397
|- 
|<math>\infty</math> || 365
|-
|}

[[File:Emission spectrum-H.svg|757px|thumb|center|バルマー系列の4つの可視的な水素放出スペクトル線。右の赤い線がH-アルファである。]]
{{-}}

===  パッシェン系列 ({{Math|1=''n''&prime; = 3}}) ===
1908年に最初に観測した[[ドイツ]]の物理学者[[フリードリッヒ・パッシェン]]にちなんで命名された。パッシェン系列のスペクトル線は全て[[赤外光]]である<ref>{{citation|title=Zur Kenntnis ultraroter Linienspektra. I. (Normalwellenlängen bis 27000 Å.-E.)|year=1908|last=Paschen|first=Friedrich|author-link=フリードリッヒ・パッシェン|url=http://www3.interscience.wiley.com/journal/112500956/abstract|journal=Annalen der Physik|volume=332|issue=13|pages=537–570|publisher=|bibcode=1908AnP...332..537P|doi=10.1002/andp.19083321303|isbn=}}</ref>。
{| class="wikitable" border="1" style="float:left"
|- 
! <math>n</math> !! λ (nm)
|- 
|4 || 1875
|- 
|5 || 1282
|- 
|6 || 1094
|- 
|7 || 1020
|- 
|8 || 954
|- 
|<math>\infty</math> || 820
|}
{{-}}

===  ブラケット系列 ({{Math|1=''n''&prime; = 4}}) ===
1922年に最初にスペクトル線を観測したアメリカの物理学者[[フレデリック・サムナー・ブラケット]]にちなんで命名された<ref>{{citation|title=Visible and infra-red radiation of hydrogen|year=1922|last=Brackett|first=Frederick Sumner|author-link=フレデリック・サムナー・ブラケット|journal=Astrophysical Journal|volume=56|pages=154|publisher=|bibcode=1922ApJ....56..154B|doi=10.1086/142697|isbn=}}</ref>。
{| class="wikitable" border="1" style="float:left"
|- 
! <math>n</math> !! λ (nm)
|- 
|5 || 4050
|- 
|6 || 2630
|- 
|7 || 2170
|- 
|8 || 1940
|- 
|9 || 1820
|- 
|<math>\infty</math> || 1460
|}
{{-}}

===  プント系列 ({{Math|1=''n''&prime; = 5}}) ===
1924年に[[オーガスト・ハーマン・プント]]によって実験的に発見された<ref>{{citation|title=The emission of nitrogen and hydrogen in infrared|year=1924|last=Pfund|first=A. H.|author-link=:en:August Herman Pfund|journal=J. Opt. Soc. Am.|volume=9|issue=3|pages=193–196|publisher=|doi=10.1364/JOSA.9.000193|isbn=}}</ref>。
{| class="wikitable" border="1" style="float:left"
|- 
! <math>n</math> !! λ (nm)
|- 
|6 || 7460
|- 
|7 || 4650
|- 
|8 || 3740
|- 
|9 || 3300
|- 
|10 || 3040
|- 
|<math>\infty</math> || 2280
|}
{{-}}

===  ハンフリーズ系列 ({{Math|1=''n''&prime; = 6}}) ===
アメリカの物理学者[[カーティス・ハンフリーズ]]によって発見された<ref>{{citation|title=Humphreys Series|year=1953|last=Humphreys|first=C.J.|author-link=:en:Curtis J. Humphreys|journal=J. Research Natl. Bur. Standards|volume=50|publisher=|isbn=}}</ref>。
{| class="wikitable" style="float:left" border="1"
|- 
! <math>n</math> !! λ (nm)
|- 
|7 || 12400
|- 
|8 || 7500
|- 
|9 || 5910
|- 
|10 || 5130
|- 
|11 || 4670
|- 
|<math>\infty</math> || 3280
|}

{{-}}

===  その他の系列 ({{Math|1=''n''&prime; > 6}}) ===
その他の系列は名前がつけられていないが、リュードベリの式によって同様にして決定される。波長が増加するにつれ、系列内の間隔も広がっていく。スペクトル線も次第に弱くなる。

== 関連項目 ==
* [[21cm線]]
* [[天体分光学]]
* [[モーズリーの法則]]
* [[ライマン系列]]
* [[バルマー系列]]

== 参考文献 ==
{{Reflist|30em}}

== 外部リンク ==
* [http://www.bigs.de/BLH/en/index.php?option=com_content&view=category&layout=blog&id=50&Itemid=221 Spectral series of hydrogen animation]

{{デフォルトソート:すいそすへくとるけいれつ}}
[[Category:量子力学]]
[[Category:実験式]]
[[Category:分光学]]