原子スペクトル わかりやすく
水素原子のエネルギー準位は Eₙ = −13.6 eV / n² のように離れています。電子が上の段から下の段へ跳ぶと、その差だけを光子一つとして出します。E_光子 = Ei − Ef で、光子は振動数を持つので E = hf、波長では λ = hc / E です。段の差は決まった値だけなので、光も決まった波長の線としてだけ出ます。最初の図は準位のはしごと、その線がスペクトルのどこに落ちるかを一緒に見せます。
水素の準位をはしごに描きます。Eₙ = −13.6 eV / n² なので n = 1 は深く沈み、n が大きくなるほど段は 0 へ集まります。上の段から下の段への遷移を選ぶと、その差 Ei − Ef が光子一つのエネルギーになります。f はその光子の振動数なので E = hf であり、λ = hc / E は光の波長です。この λ は物質波 λ = h/p とは違う、光自身の波長です。可視の遷移 656, 486, 434 nm を選ぶと、色の縦線が 400 to 700 nm の帯の定位置に落ちます。
下の段を何にするかが系列を分けます。f = 1 へ落ちる遷移はライマン系列で紫外線、f = 2 へ落ちるとバルマー系列で可視光です。f = 3 へ落ちるとパッシェン系列で赤外線です。系列を選ぶとその系列の遷移だけがはしごで強調されます。目に色の線として見えるのはバルマー系列だけです。
同じ段の間でも向きで二つに分かれます。電子が上から下へ跳ぶと光子を出し、暗い帯の上に明るい線が灯る放出です。逆に連続光が原子を通ると、ちょうどその差の光子だけが吸収されて明るい帯に黒い線が刻まれ、これが吸収です。向きを変えると同じ波長の位置で明るい線と暗い線が入れ替わります。エネルギーの保存で説明されます。
一つの光子のエネルギー、振動数、波長、色は一本の紐で結ばれています。光子のエネルギー E を上げると振動数 f が E = hf で付き、波長は λ = hc / E で縮みます。同時に色が赤から紫の方へ移ります。エネルギーの大きい光は波長の短い紫で、エネルギーの小さい光は波長の長い赤です。一つを定めると残りが付いて定まります。
一つの系列の中で上の段を高くすると、線が一か所へ集まります。Eₙ = −13.6 eV / n² なので段の差は上へ行くほど小さくなり、上の段が大きくなるほど遷移エネルギーがある最大値へ集まります。その場所が系列限界です。上の段を上げると新しい線が前の線のすぐ横に付き、限界の方へ密になります。上の段が限りなく大きくなると、電子がちょうど解ける境、つまりイオン化です。