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線スペクトル

水素の可視光領域の線スペクトルを観察し,バルマー系列の式を確認する


ひ線スペクトル:画像

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公費でのご注文について

セット番号
UE5020100

原子の発するスペクトルは,各原子ごとに特有の系列を持っています。その系列は原子番号が大きくなるほど,複雑になっていきます。反対に水素原子の可視光領域のスペクトルは,単純なボーアの原子モデルで説明できます。

実験に必要な機器
品番 品名 価格(税込) 数量
U17310 分光器・S型 245,160円 1
U418001-115 スペクトル管電源,保護フェンス付 85,320円 1
U41817 スペクトル管・水素(H) 24,624円 1
U15002 ステンレス鋼製支柱・47cm 1,944円 1
U13265 支柱用台座 8,208円 1
U13261 万能クランプ 4,212円 1
U13256 クロスムッフ 3,996円 1

上記一式を買物かごに入れる

※リストには写真と別型式の分光器を載せています。
※PCは付属しません。

※各製品ページから,それぞれ単品でもご購入いただけます。

実験解説書 ダウンロード(PDF)

基本原理

励起状態にある原子は,その原子に特有の線スペクトルを発生します。この線スペクトルは,電子のエネルギー準位間遷移により発生するので,原子の電子軌道構造によります。水素原子の可視光領域での線スペクトルは,Hα,Hβ,Hγ,Hδの4本があります。紫外領域まで計測すると,更に線スペクトルがあることが分かります。1885 年にバルマーが,このスペクトル系列を次の単純な式で表すことができるのを発見しました。

(1)

ここでn は3 以上の自然数で,R はリュードベリ定数です。後になってこの式は,ボーアの原子モデルにより説明できることが分かりました。電子がエネルギーの高い準位から低い準位(バルマー系列の場合,基底状態の一つ上の準位)へ遷移するときに,エネルギー差に相当する光を発するというものです。

ヘリウム原子の場合,水素に電子がもう一つ増えただけですが,非常に複雑になります。その理由として電子のスピンが挙げられます。スピンの向きが平行か反平行かという違いにより,エネルギー準位が変わってくるためです。

こうした複雑さは,原子番号が大きくなるに連れて更に増大します。しかしいずれにしてもスペクトル系列は,各原子に固有の系列となります。

バルマー系列の周波数νをを横軸にプロットすると,直線に乗ることが分かります。この直線の傾きがリュードベリ定数になります。またx 軸との交点がx=0.25 であることより,バルマー系列はn=2 のエネルギー準位への遷移によるものであることが分かります。

参考資料

図1:1/n2を横軸にしたバルマー系列の遷移周波数

図1:1/n2を横軸にしたバルマー系列の遷移周波数

線スペクトル

図2:水素原子の線スペクトル

図2:水素原子の線スペクトル

図3:ヘリウムの線スペクトル

図3:ヘリウムの線スペクトル

図4:ネオンの線スペクトル

図4:ネオンの線スペクトル

図5:水銀蒸気の線スペクトル

図5:水銀蒸気の線スペクトル

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