Spektral qatorlar

Spektral seriya (spectral series) — ketma-ket tartibda guruhlangan to‘lqin uzunliklari (wavelengths) majmui bo‘lib, u qo‘zg‘atilgan atomlar (energised atoms) tomonidan chiqariladigan yorug‘lik yoki har qanday elektromagnit nurlanishni (electromagnetic radiation) tavsiflaydi.

Spectral Series

1-rasm: Vodorod gazi spektri, spektral seriyalar va ularga mos to‘lqin uzunliklari bilan birga.

Vodorod atomi tabiatda uchraydigan eng sodda atom tizimidir; shu sababli u bu seriyalarning eng sodda ko‘rinishini hosil qiladi. Yorug‘lik nuri yoki istalgan nurlanish oqimi (radiation) tirqish (slit) orqali qurilmaga kiritilganda, yorug‘lik/nurlanishning har bir alohida komponenti manba (source) ning tasvirini hosil qiladi. Bu tasvirlarni spektroskop (spectroscope) yordamida ajratib ko‘rish (resolved) mumkin. Tasvirlar yonma-yon joylashgan, o‘zaro parallel chiziqlar ko‘rinishida va muntazam oraliqlar bilan paydo bo‘ladi. To‘lqin uzunligi kattaroq tomonda chiziqlar orasidagi masofa kattaroq bo‘ladi va yuqori to‘lqin uzunligidan past to‘lqin uzunligi tomon siljigan sari ular asta-sekin yaqinlashib boradi. Eng qisqa to‘lqin uzunligiga ega hamda eng kam ajralib turgan spektral chiziqlar kuzatiladigan nuqta seriya chegarasi (series limit) deyiladi.

Ridberg formulasi (Rydberg Formula)

Atom vodorod nurlanish spektri (emission spectrum) ni namoyon qiladi. Bu spektr bir nechta spektral seriyalarni o‘z ichiga oladi. Gazdagi elektronlar qo‘zg‘atilganda (excited), ular energiya sathlari (energy levels) orasida o‘tadi. Bunday spektral chiziqlar Nils Bor (Neils Bohr) modeli bilan tasvirlangan elektronlarning energiya sathlari orasidagi o‘tishlari (transitions) natijasidir. Spektral seriyalarning to‘lqin uzunliklari Ridberg formulasi orqali hisoblanadi.

Ridberg formulasi Bor modeli sathlari orasidagi energiya farqi (energy difference) va yutilgan yoki chiqarilgan fotonlar (photons) ning to‘lqin uzunliklari o‘rtasidagi bog‘lanishni ifodalaydi. Matematik ko‘rinishi quyidagicha ifodalanadi:

Bu yerda:

𝜆 — to‘lqin uzunligi
R — Ridberg doimiysi (Rydberg constant), qiymati 1.09737✕10⁷ m^-1
Z — atom raqami (atomic number)
n_l — quyi energiya sathi (lower energy level)
n_h — yuqori energiya sathi (higher energy level)

Shuni ta’kidlash kerakki, bu tenglama vodorod va vodorodsimon (Hydrogen-like) elementlar uchun qo‘llanadi. Tenglama faqat n_h > n_l bo‘lgandagina mazmunli qiymat beradi. Ridberg formulasi asosida seriyalarni tasniflash kvant mexanikasi (quantum mechanics) ni rivojlantirishda muhim rol o‘ynagan. Ular astronomik spektroskopiya (astronomical spectroscopy) da ham juda muhim: xususan, vodorodni aniqlash va qizil siljish (redshift) ni hisoblashda.

Spektral seriyalar qanday hosil bo‘ladi?

Electron transitions for the Hydrogen atom

2-rasm: Vodorod atomi ichida elektron o‘tishlari

Har bir atomda energiya sathlari/holatlari (energy levels/states) to‘plami mavjud bo‘lib, ularni Borning atom modeli (Bohr’s atomic model) yordamida tasvirlash va tushuntirish mumkin. U energiya sathlariga kvant sonlari (quantum numbers) ni biriktiradi (n = 1,2,3,4,5,6…..). Elektronlar yuqori energiya sathlaridan (n_h) quyi energiya sathlariga (n_l) o‘tganda, ular energiyasi (n_h – n_l) bo‘lgan foton (photon) hosil qiladi. Har bir holatga mos energiya qat’iy belgilanganligi sababli, energiya holatlari orasidagi farq ham qat’iy bo‘ladi. Demak, bir xil energiya sathlari orasidagi bir xil o‘tish (transition) doimo bir xil energiyali fotonni beradi.

Spektral seriya elektronning quyi energiya holatiga o‘tishiga qarab tegishli seriyalarga bo‘linadi. Seriya ichida spektral chiziqlarni mos energiyalarga ko‘ra ajratish uchun yunon alifbosi (Greek alphabets) harflari qo‘llanadi. Vodorodning spektral seriyalari quyidagilar:

Lyman seriyasi (n_l=1)

Seriyani 1906–1914-yillar oralig‘ida Teodor Layman (Theodore Lyman) asos solgan. Shu bois u uning nomi bilan ataladi. Bor g‘oyasiga ko‘ra, Layman seriyasi elektronlar yuqori energiya sathlaridan (n_h = 2,3,4,5,6,…) n_l = 1 energiya holatiga o‘tganda paydo bo‘ladi. Layman seriyasining barcha to‘lqin uzunliklari ultrabinafsha (ultraviolet) diapazonda joylashadi.

Spektral chiziqlarga mos turli to‘lqin uzunliklari uchun quyidagi jadvalga qarang:

Energiya sathi (n)	Vakuumda to‘lqin uzunligi (𝜆, nm)
∞	91.175
6	93.78
5	94.974
4	97.256
3	102.57
2	121.57

Balmer seriyasi (n_l=2)

Bu seriya 1885-yilda Iogann Balmer (Johann Balmer) tomonidan kashf etilgan. Shu sababli u uning nomi bilan ataladi.
Balmer seriyasi elektron o‘tishi yuqori energiya holatlaridan (n_h=3,4,5,6,7,…) n_l=2 energiya holatiga sodir bo‘lganda kuzatiladi. Balmer seriyasining barcha to‘lqin uzunliklari elektromagnit spektr ning ko‘rinadigan qismiga (400 nm dan 740 nm gacha) to‘g‘ri keladi. Astronomiyada vodorod mavjudligi Balmer seriyasining H-alfa (H-Alpha) chizig‘i orqali aniqlanadi; u Quyosh spektrining (solar spectrum) ham bir qismidir.