Серия Лаймана в спектре водорода¶

Серия Лаймана — совокупность спектральных линий в спектре атома водорода, возникающих при переходах электрона с более высоких энергетических уровней (n ≥ 2) на первый (основной) уровень (n = 1). Вся серия расположена в ультрафиолетовой части электромагнитного спектра с длинами волн от 91,2 нм (граница серии) до 121,6 нм (первая линия). Серия названа в честь американского физика Теодора Лаймана, открывшего её в 1906 году.

¶Физическая природа

Излучение серии возникает при спонтанном или вынужденном переходе электрона в атоме водорода на самый нижний энергетический уровень. Поскольку энергия основного состояния минимальна, разность энергий между уровнями для серии Лаймана максимальна среди всех серий водорода (Бальмера, Пашена, Брэккета и других). Это объясняет расположение линий в вакуумном ультрафиолете.

Энергия фотона, испускаемого при переходе с уровня n на уровень 1, вычисляется по формуле Ридберга:

1/λ = R∞ (1/1² − 1/n²), где n = 2, 3, 4, …

Здесь R∞ — постоянная Ридберга (≈ 1,097 × 10⁷ м⁻¹). Для n = 2 получается линия Lα с длиной волны 121,6 нм; для n = 3 — Lβ (102,6 нм); для n = 4 — Lγ (97,3 нм) и так далее. По мере увеличения n линии сгущаются, стремясь к пределу серии — границе ионизации при 91,2 нм.

¶Спектральные линии

Основные линии серии обозначаются греческими буквами:

• Lα — 121,6 нм (переход 2→1), также называется линией Лайман-альфа;
• Lβ — 102,6 нм (3→1);
• Lγ — 97,3 нм (4→1);
• Lδ — 95,0 нм (5→1);
• Lε — 93,8 нм (6→1).

Всего в лабораторных условиях зарегистрировано более 30 линий серии вплоть до n ≈ 35. Из-за малых длин волн линии серии Лаймана поглощаются атмосферой Земли, поэтому их наблюдение возможно только из космоса или в вакуумных спектрографах.

¶Значение в астрофизике

Линия Лайман-альфа (Lα) играет ключевую роль в астрофизике. Она является самой яркой линией в спектрах многих астрофизических объектов:

• Солнце и звёзды — в хромосфере и переходной области Солнца линия Lα формирует интенсивное излучение, которое ионизует межзвёздный водород.
• Галактики — эмиссия Lα используется для обнаружения далёких галактик на красном смещении z > 2 (так называемые Lyman-alpha emitters).
• Межгалактическая среда — поглощение в линии Lα создаёт «лес Лайман-альфа» — серию узких абсорбционных линий в спектрах квазаров, позволяющую изучать распределение водорода во Вселенной.
• Экзопланеты — наблюдение Lα в транзитах позволяет оценивать потерю водорода атмосферами горячих юпитеров.

Лайман-континуум (излучение с длинами волн короче 91,2 нм) ионизует нейтральный водород в области H II вокруг молодых горячих звёзд.

¶Применение в науке и технике

В лабораторной практике серия Лаймана используется для калибровки вакуумных ультрафиолетовых спектрометров. Источники излучения Lα применяются в:

• спектроскопии плазмы;
• литографии экстремального ультрафиолета (исследования в диапазоне 10–120 нм);
• изучении верхних слоёв атмосферы Земли (спектрометры на спутниках регистрируют свечение геокороны в линии Lα);
• проверке квантово-электродинамических расчётов — точное измерение длин волн серии позволяет определять постоянную Ридберга с относительной точностью до 10⁻¹².

¶Историческая справка

Теодор Лайман обнаружил первую линию серии (Lα) в 1906 году при исследовании спектра водородной разрядной трубки в вакуумном ультрафиолете. Полное описание серии было дано в 1914 году, когда Лайман зарегистрировал несколько линий с n до 12. Открытие подтвердило модель атома Нильса Бора (1913), предсказавшую существование таких переходов. Позже серия Лаймана стала одним из ключевых объектов проверки квантовой механики и квантовой электродинамики.