Накаленные твердые тела испускают сплошные спектры. У газов (наряду со сплошной областью) наблюдаются линейчатые и полосатые спектры. Линейчатый спектр состоит из ряда закономерно расположенных более или менее узких спектральных линий. В полосатом спектре полосы кажутся сплошными при наблюдении в спектроскоп малой разрешающей силы. При применении спектрального аппарата высокой разрешающей силы они распадаются на множество тесно расположенных спектральных линий.
К началу 20-го века было выяснено, что линейчатые спектры газов испускаются атомами и ионами, а полосатые — молекулами. Поэтому их называют также атомными и молекулярными спектрами. Атомный спектр водорода удается наблюдать при электрическом разряде в вакуумной водородной трубке только тогда, когда большая часть молекул водорода диссоциировала на атомы.
Наиболее характерной чертой атомных спектров оказалась их дискретность – спектры состоят из набора узеньких полосок, соответствующих набору длин волн, вполне определенных для данного вещества (полоски наблюдаются потому, что на входе приземленного или решеточного спектрометра всегда устанавливается узкая вертикальная щель, на которую направляется пучок исследуемого света). Важно отметить, что каждая линия в спектре не представляет собой строго монохроматическую волну, а имеет некоторую конечную ширину.

Линии атомных спектров образуют закономерные группы, называются спектральными сериями. Промежутки между линиями в серии убывают в сторону коротких длин волн, и линии сходятся к границе серии. Наиболее прост спектр атома водорода. Спектральные серии водорода - набор спектральных серий, составляющих спектр атома водорода. Поскольку водород наиболее простой атом, его спектральные серии наиболее изучены. Они хорошо подчиняются формуле Ридберга:

где R = 1.09677*10⁵ см^-1 - постоянная Ридберга для водорода, m - уровень с которого переходит атом при излучении, n - уровень серии на который переходит атом.

Серия Пфунда — спектральная серия в спектре атома водорода, названная в честь американского физика Августа Пфунда, открывшего эту серию в 1924 году. Данная серия образуется при переходах электронов с возбужденных энергетических уровней на пятый в спектре излучения и с пятого уровня на все вышележащие уровни при поглощении. Переход с шестого энергетического уровня на пятый обозначается греческой буквой α, с 7-го на 5-й — β . Для обозначения самой серии используются латинские буквы Pf. Таким образом, полное обозначение спектральной линии, возникающей при переходе электрона с шестого уровня на пятый — Pf_α (произносится Пфунд альфа).

Формула Ридберга для серии Пфунда выглядит следующим образом:

Где n - (главное квантовое число) - натуральное число большее 5. Все линии серии Пфунда расположены в далеком инфракрасном диапазоне.

 

Исследование спектров началось в 1860 г., когда была опубликована работа немецких ученых Г. Кирхгофа и Р. Бунзена «Химический анализ с помощью наблюдений спектра». В после последующие годы изучение атомных спектров велось весьма интенсивно. Найденные в них закономерности позволили получить неоценимую информацию о внутренним устройстве атомов.
Каждый атом и молекула имеют уникальное строение, которому соответствует свой уникальный спектр. Структура спектра атома, молекулы или образованной ими макросистемы определяется их энергетическими уровнями. Согласно законам квантовой механики, каждый энергетический уровень соответствует определенному квантовому состоянию. Анализируя спектр конкретной системы, можно определить энергии и квантовые числа состояний, а также сделать выводы относительно действующих в ней сил. Таким образом, спектроскопия является основным источником сведений о квантово-механических величинах и о строении атомов и молекул.
Изучение атомных спектров послужило ключом к познанию строения атомов. Прежде всего было замечено, что линии в спектрах атомов располагаются не беспорядочно, а объединяются в группы, или, как их называют, серии линий. Отчетливее всего это обнаруживается в спектре простейшего атома – водорода. Линии располагаются в определенном порядке. Расстояние между линиями закономерно убывает по мере перехода от более длинных волн к более коротким.
Спектральный анализ уже давно применяется в химии и материаловедении для определения следовых количеств элементов. Методы спектрального анализа стандартизованы, информация о характерных линиях большинства элементов и многих молекул хранится в компьютерных базах данных, что в значительной мере ускоряет анализ и идентификацию химических веществ.

Спектроскопия открыла широкие возможности для получения информации фундаментального характера во многих областях науки. Так, в астрономии собранные с помощью телескопов спектральные данные об атомах, ионах, радикалах и молекулах, находящихся в звездном веществе и межзвездном пространстве, способствовали углублению наших знаний о таких сложных космологических процессах, как образование звезд и эволюция Вселенной на ранней стадии развития.

В спектрах большинства астрономических объектов наблюдаются линии водорода, возникающие при переходе на первый энергетический уровень. Это серия Лаймана, наблюдаемая в ультрафиолете; отдельные линии серии имеют обозначения L_α (λ = 121,6 нм), L_β (λ = 102,6 нм), L_γ (λ = 97,2 нм) и так далее. В видимой области спектра наблюдаются линии водорода серии Бальмера. Это линии H_α (λ = 656,3 нм) красного, H_β (λ = 486,1 нм) голубого, H_γ (λ = 434,0 нм) синего и H_δ (λ = 410,2 нм) фиолетового цвета. Линии водорода наблюдаются и в инфракрасной части спектра – серии Пашена, Брэккета и Пфунда.
 

Лазерная спектроскопия - раздел оптической спектроскопии, изучающий полученные с помощью лазера спектры испускания, поглощения, рассеяния. Лазерная спектроскопия позволяет исследовать вещества на атомно-молекулярном уровне с высокой чувствительностью, избирательностью, спектральным и временным разрешением. В зависимости от типа взаимодействия света с исследуемым веществом, методы лазерной спектроскопии подразделяют на линейные, основанные на одноквантовом линейном взаимодействии, и нелинейные, основанные на нелинейном одноквантовом или многоквантовом взаимодействии. В спектральных приборах используют лазеры с перестраиваемой частотой - от далекой ИК области до вакуумного УФ, что обеспечивает возбуждение почти любых квантовых переходов атомов и молекул. Перестраиваемые лазеры с узкой полосой излучения, в частности, инжекционные лазеры в ИК области и лазеры на красителях в видимой области (а в сочетании с нелинейным преобразованием частоты - в ближней УФ и ближней ИК областях) дают возможность измерять истинную форму спектра поглощения образца без какого либо влияния спектрального инструмента. Использование перестраиваемых лазеров повышает чувствительность всех известных методов спектроскопии (абсорбционных, флуоресценции) как для атомов, так и для молекул.
 

Принципиальная схема установки для наблюдения спектра водорода изображена на рис.1.

В качестве источника излучения может выступать водородная лампа. Она представляет собой две стеклянные трубки, соединенные капилляром диаметром в несколько миллиметров. В торцы трубок впаяны электроды. Лампа заполнена водородом при давлении 10 мм рт.ст. Тлеющий электрический разряд в водороде возникает между холодными электродами трубки через капилляр, что обеспечивает высокую плотность тока, и, следовательно, повышенную интенсивность свечения. Для изучения спектральной серии нужен спектральный прибор, позволяющий исследовать мало интенсивные источники излучения (линии) и обладающий достаточной дисперсией для наблюдения «далёких» линий серии. В данной установке в качестве спектрального прибора используется монохроматор УМ-2(рис.2).