Dãy Paschen
Năm 1908, vào lúc mà bước sóng của một số vạch phổ ở vùng ánh sáng khả kiến và vùng tử ngoại được xác định với độ chính xác cao và thỏa mãn công thức của Rydberg, nhà vật lý người Đức Louis Paschen (1865 – 1947) đã bắt đầu nghiên cứu
24 © Copyright http://www.gratinglab.com.
48
phổ ở vùng hồng ngoại của các nguyên tử [39].Paschen đã bố trí để đo quang phổ như Hình 2.9. Ông đã dùng nguồn sáng là ống Geissler25
làm bằng thủy tinh – thạch anh. Ông sử dụng cách tử nhiễu xạ lõm với hằng số cách tử là 14450 vạch/inch26và các gương lõm có tiêu cự 35 cm. Để quan sát được các vạch phổ, ông đã dùng một pin nhiệt điện.
Hình 2.9Mô hình đo bước sóng ở vùng hồng ngoại của Paschen27
.
25Ống Geissler là ống phóng khí đầu tiên được sử dụng để chứng minh các nguyên tắc của phóng điện phát sáng qua chất khí. Ống này được phát minh bởi nhà vật lý người Đức Heinrich Geissler năm 1857.
26Tương ứng 569 vạch/mm
27S là gương lõm, s là khe, G là cách tử nhiễu xạ, T là pin nhiệt điện, R là ống thủy tinh – thạch anh, W là nước làm mát cực âm và P là cái bơm[39].
49
Hai vạch hydro mà Paschen quan sát được và theo tính toán từ công thức (1.10) của Rydbergvới n1=3 vàn2 =4, 5được thể hiện trong Bảng 2.2. Ta thấy, sai lệch này không đáng kể [39].Từ đó, ta có thể kết luận bước sóng của hai vạch hydro mà Paschen đo được đều thỏa mãn công thức của Rydberg.Các vạch còn lại trong dãy phổnày sau đó tiếp tục được đo đạcvà dãy này được gọi là dãy Paschen.
Bảng 2.2So sánh sự sai lệch bước sóng của hai vạch hydro mà Paschen quan sát được và theo tính toán từ công thức của Rydberg28.
Bước sóng A o λ m Quan sát Tính toán 4 18751,3 18751,6 5 12817,6 12818,7 Dãy Brackett
Năm 1922, nhà vật lý người Mỹ Frederick Brackett (1896 – 1988) nhận thấy hai vạch hydro mà Paschen quan sát được có cường độ thấp, khó quan sát nên ông cho rằng cần thiết lập hình ảnh phổ rõ ràng hơn và đo phổ ở những vị trí mới chính xác tương ứng với những bước sóng được tiên đoán bởi công thức (1.10) của Rydberg[9].
28[39].
50
Tất cả các nhà quang phổ học đều nhấn mạnh độ khó trong quan sát phổ nguyên tử hydro là phải duy trì hydro ở dạng nguyên tử vì nó rất dễ kết hợp lại với nhau tạo thành phân tử hydro. Để làm tăng cường độ của các vạch lên, Brackett đã sử dụng ý tưởngdùng một ống hydro dài của Wood làm nguồn sáng.Mô hình đo bước sóng của Brackett được thể hiện trongHình 2.10.
.
Hình 2.10Sơ đồ đo bước sóng của Brackett.
Brackett sử dụngmột máy biến thế để cung cấp điện áp dùng cho hệ thống đo. Ông dùng loại máy đơn sắc Wadsworth được thể hiện như Hình 2.11. Trong máy đơn sắc có sử dụng gương lõmvới tiêu cự f =60 cm[9] và khe có độ rộng vào cỡ vàimm.
Detector là một cặp nhiệt điện chân không có một chỗ nối được gắn điện kế rất nhạy [9].
51
Hình 2.11Máy đơn sắc Wadworth.
Khi đo đạc cẩn thận, Brackett đã thu được biểu đồ phân bố cường độ bức xạ của nguyên tử hydro ở vùng hồng ngoại với bước sóng từ 0.5 4.5 µm− µm như trong Hình 2.12.
Hình 2.12Các vạch mà Brackett đo được29
.
52
Ông quan sát được hai cực đạimới ở λ =4.05±0.03 µm và λ =2.63±0.02 µm
[9].Hai vạch này thu được khi một electron của nguyên tử hydro dịch chuyển từ quĩ đạo n2 =5 hoặc n2 =6xuống quĩ đạo n1 =4. Do đó, chúng là hai vạch đầu tiên trong một dãy mới được tìm thấy. Ngoài hai vạch Pα và Pβ mà Paschen đã quan sát được, Brackett còn quan sát thêm được bavạch của dãy Paschen gồm Pν, , Pδ Pε.Bước sóng của ba vạch trong dãy Paschen có được từ quan sát của Brackett và tính toán được cho bởi Bảng 2.3.
Bảng 2.3Bước sóng của ba vạch trong dãy Paschen có được do quan sát và tính toán30
.
Vạch Bước sóng quan sát được ( )µm Bước sóng tính toán được ( )µm
Pν 1.09±0.01 1.094
Pδ 1.01±0.01 1.005
Pε 0.95±0.01 0.955
Dãy Pfund
Vào năm 1924, August Pfund (1879 – 1949) đã dùng một ống chân không có chiều dài 150 cm làm nguồn sáng.Ống này được kích thích bởi dòng điện xoay chiều có cường độ lớn. Ông cũng sử dụng máy đơn sắc Wadsworth nhưng với gương lõm có tiêu cự 35 cm. Một điện kế với độ nhạy cao được nối với pin nhiệt điện chân không với chân không được duy trì ở mật độ cao31dùng để đo phổ [27].
30[9].
53
Hình 2.13Mô hình đo phổ của Pfund.
Mục đích của Pfund là tìm kiếm một dãy quang phổ hydro ngoài các dãy đã được phát hiện và để kiểm tra năng suất của bộ máy đối với một số chất khí đã được nghiên cứu trước đây[27].Khi nghiên cứu về hydro, hai khe của máy quang phổ phải được mở rộng đến 1.5 mm. Ông đã dùng bộ máy này để khảo sát chất lượng của quang phổ và nhận thấy các vạch Paschen và Brackett nổi lên rất rõ ràng. Sau nhiều lần thực nghiệm, ống cũng đã cho quan sát được phổ ở vùng 5 10 µm− µm. Vùng này khó quan sát được là do các bức xạ mạnh từ thành ống phóng điện gây ra [27].Cuối cùng, ông cũng vẽ được đường cong như Hình 2.14.
Hình 2.14Cực đại có bước sóng mà Pfund đo được32
.
32[32].
54
Quan sát đường cong, ông nhận thấy chồng lên trên quang phổ liên tục mạnh của các bức xạ là một cực đại nhỏ tại 7.40 µm. Công thức (1.10) của Rydberg đã xác định bước sóng phát ra khi electron dịch chuyển từ quĩ đạo n2 =6 xuống quĩ đạo
1 5
n = là λ =7.46 µm. Từ đó, Pfund cho rằng vạch tìm thấy chính là vạch đầu tiên của
dãy mới [27].
Dãy Humphreys
Sau khi dãy thứ năm của quang phổ nguyên tử hydro đã được quan sát bởi Pfund, có rất nhiều nhà vật lý nỗ lực để quan sát các dãy tiếp theo.Nhưng gần ba mươi năm sau đó, nhà vật lý người Mỹ Curtis Humphreys (1898 – 1986) mới quan sát được. Để quan sát và đo đạc được bước sóng của vạch đầu tiên trong dãy mới của nguyên tử hydro, Humphreys đã sử dụng mô hình như sau: nguồn sáng là một ống phóng điện tử Geissler được làm mát bằng nước.Ống có phần giữa là một mao dẫn nhỏ được lắp một thấu kính KBr33. Ông dùng một máy đo phổ Perkin – Elmer, một máy khuếch đại một chiều và một máy thu Speedomax[15].
Mô hình nguồn sáng được thể hiện như Hình 2.15. Một ống nhỏ chứa nước cất được gắn với nguồn sáng thông qua khe hở Hopfield và có một cái khóa giữa khe hở và nguồn sáng. Chính nước cất trong ống nhỏ này được bơm vào nguồn sáng nhằm tạo ra khí hydro ẩm. Để tìm thấy được vạch của các dãy cao hơn cần ống phóng điện tử phải hoạt động ở áp suất thấp nhất có thể đạt được do đó, kích thước phần giữa của ống phóng điện tử rất nhỏ so với các mô hình thiết kế trước đó. Ống này hoạt động nhờ một nguồn điện là một máy biến thế 2.5 kVA[15].
55
Hình 2.15Mô hình thiết kế ống phóng điện tử Geissler và khe hở Hopfield34. Máy đo phổ Perkin – Elmer sử dụng lăng kính muối mỏ như là một nguồn tán sắc và pin nhiệt điện xoay chiều. Để chắc chắn thu được vạch mới, ông đã đặt một bộ lọc fluorittrước khe để loại trừ tất cả các năng lượng phát xạ có bước sóng λ >12 µm
và tán xạ tất cả các năng lượng có bước sóng λ <6.5 µm và do đó, vạch mới sẽ vượt qua bộ lọc[15].Chính nhờ việc sử dụng máy khuếch đại một chiều và máy thu đã đem đến một độ nhạy cao mà các thí nghiệm trước đó không đạt được.
Trong quá trình làm thí nghiệm, Humphreys đã quan sát được vạch đầu tiên trong dãy mới của phổ nguyên tử hydro tức là vạch Humphreys – α ở bước sóng
12.368 m
=
λ µ được thể hiện trên Hình 2.16[15]. Lý thuyết của Bohr đã xác định đượcvạch Humphrey – α xuất hiện khi electron dịch chuyển từ quĩ đạo n2 =7xuống quĩ đạo n1=6và cóbước sóng λ =12.372 µm. So sánh với bước sóng mà Humphreys thu được ta thấy có một sự phù hợp tốt.
34[15].
56
Hình 2.16Vạch Humphrey - α được quan sát ở những điều kiện tốt nhất 35
. Ngoài ra, ông còn quan sát được vạch thứ hai trong dãy Pfund, tức là vạch
Pf − β và các vạch thứ ba, tư, năm trong dãy Brackett, tức là các vạch Βr−γ ,
r
Β − δ , Β − εr .
Hình 2.17 Các vạch Humphreys xác định được36.
35[15].
57
Dưới đây là bảng tổng kết lại bước sóng của các vạch đầu tiên của các dãy trong quang phổ nguyên tử hydro và sự chuyển mức của chúng.
Bảng 2.4Bước sóng của các vạch đầu tiên của các dãy phổ nguyên tử hydro và sự chuyển mức của chúng.
Dãy Tên gọi λ µ( )m n1 n2
Lyman K 0.1216 1 2 Balmer L 0.6563 2 3 Paschen M 1.875 3 4 Brackett N 4.05 4 5 Pfund O 7.46 5 6 Humphreys P 12.368 6 7