氫原子光譜

最簡單的原子光譜，由A.J.埃斯特朗首先從氫放電管中獲得，後來W.哈根斯和H.C.沃格耳等人在拍攝恆星光譜中也發現了氫原子光譜線。到1885年，人們已在可見光和近紫外光譜區發現了氫原子光譜的14條譜線，譜線強度和間隔都沿著短波方向遞減。其中可見光區有 4條, 分別用表示。其波長的粗略值分別為6562.8┱、4861.3┱、4340.5┱和4101.7┱。1885年，瑞士物理學家J.J.巴耳末首先把上述光譜用經驗公式：

表示出來，式中 B為一常數。這組譜線稱為巴耳末線系。當n→∞時，λ→B，為這個線系的極限，這時鄰近二譜線的波長之差趨於零。下圖是巴耳末線系的示意圖。 1890年J.R.里德伯把巴耳末公式簡化為式中 ,稱為里德伯常數，其值為(1.096775854±0.000000083)×10%m-1 。後來又相繼發現了氫原子的其他譜線系，都可以用類似的公式表示。把波長的倒數稱波數，單位是m-1 ，則氫原子光譜的各譜線系的波數都可用一個普遍公式表示：氫原子光譜對於一個已知線系，m為一定值，而n為比m大的一系列整數。此式稱為廣義巴耳末公式。氫原子光譜現已命名的6個線系如下：賴曼系m＝1，n＝2，3，4，...　紫外區 巴耳末系　m＝2，n＝3，4，5，...　可見光區 帕邢系 m＝3，n＝4，5，6，...　紅外區 布喇開系　m＝4，n＝5，6，7，...　近紅外區 芬德系 m＝5，n＝6，7，8，...　遠紅外區 漢弗萊系　m＝6，n＝7，8，9，...　遠紅外區 在廣義巴耳末公式中，若令，為光譜項，則該式可寫成氫原子任一光譜線的波數可表示為兩光譜項之差的規律稱為併合原則，或稱里茲組合原則。氫原子光譜對於核外只有一個電子的類氫離子(如He+ ，Li+2 等)廣義巴耳末公式仍適用，只是核的電量和質量與氫原子核不同，要對里德伯常數R作相應的變動。當用分辨本領很高的分光儀器去觀察氫原子的各條光譜線時，發現它們又由若干相近的譜線組成，這稱為氫原子光譜線的精細結構。它來源於氫原子能級的細緻分裂。分裂的主要原因是①相對論效應所引起的附加能量ΔEr；② 電子自旋和軌道相互作用所引起的附加能量ΔEιε 。同時考慮以上兩個因素后，算得氫原子的能級公式為h為普朗克常數с為真空中的光速R為里德伯常數；n為主量子數j為總角動量量子數α稱為精細結構常數，其值很小，因此第二項遠小於第一項。如果忽略第二項，上式就是玻爾氫原子理論的氫原子能級公式；若保留第二項，則每一主量子數為n的能級都按不同的總角動量量子數 j表現出了它的精細結構。但這個公式中不含軌道角動量量子數l這說明按量子力學理論氫原子兩個不同l而n、j相同的能級具有相同的能量，對l是簡併的。精細結構還與原子序數有關，氫能級的精細結構分裂比其他原子（如鈉）的小。早期用高分辨光譜儀器曾觀察到氫的Hα線的部分精細結構，分析后發現與量子力學理論有細小不符之處。氫原子光譜1947年 W.E.蘭姆和 R.C.雷瑟福用分子束磁共振法研究氫原子能級的精細結構時測得22 S½比 22 P½高出0.033cm-1 ，現在稱之為蘭姆移位，它很快由量子電動力學得到了解釋。

氫原子由一個質子及一個電子構成，是最簡單的原子，因此其光譜一直是了解物質結構理論的主要基礎。研究其光譜，可藉由外界提供其能量，使其電子躍至高能級后，在跳回低能級的同時，會放出能量等同兩高低階間能量差的光子，再以光柵、稜鏡或干涉儀分析其光子能量、強度，就可以得到其發射光譜。亦或以一已知能量、強度之光源，照射氫原子，則等同其能級能量差的光子會被氫原子吸收，因而在該能量形成暗線。另一個方法則是分析來自外太空的氫原子，要取得純粹氫原子的光譜也非十分容易，主要是因為氫在大自然中傾向以雙原子、分子存在，但科學家仍能藉由陰極射線管使其分解成單一原子。

依其發現之科學家及譜線所在之能量區段可將其劃分為以下系列，系列中各譜線則用α、β等希臘字母來命名：

來曼系列

主條目：來曼系

主量子數n大於或等於2的電子躍遷到n = 1的能階，產生的一系列光譜線稱為“來曼系列”。此系列譜線能量位於紫外光波段。

巴耳末系列

主條目：巴耳末系

主量子數n大於或等於3的電子躍遷到n = 2的能階，產生的一系列光譜線稱為“巴耳末系”。巴耳末系有四條譜線處於可見光波段，所以是最早被發現的線系。

1885年，巴耳末（J.J. Balmer，瑞士，1825-1898）將位於可見光波段，能量位於410.12奈米、434.01奈米、486.07奈米、656.21奈米等譜線，以下列經驗公式表示：，m = 3、4、5、6...，此方程稱為巴耳末公式方程。

帕申系列

主條目：帕申系

主量子數n大於或等於4的電子躍遷到n = 3的能階，產生的一系列光譜線稱為“帕申系列”，由帕申於1908年發現，位於紅外光波段。

布拉格系列

主條目：布拉開線系

主量子數n大於或等於5的電子躍遷到n = 4的能階，產生的一系列光譜線稱為“布拉格系列”，由布拉格於1922年發現，位於紅外光波段。

蒲芬德系列

主條目：蒲芬德系

主量子數n大於或等於6的電子躍遷到n = 5的能階，產生的一系列光譜線稱為“蒲芬德系列”，由蒲芬德於1924年發現，位於紅外光波段。

韓福瑞系

主條目：韓福瑞系

主量子數n大於或等於7的電子躍遷到n = 6的能階，產生的一系列光譜線稱為“韓福瑞系列”，由韓福瑞於1953年發現，位於紅外光波段。

● 玻爾模型

● 氫

● 里德伯公式

● 發射光譜

● 21公分線