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 Лаймана — спектральная серия в спектре атома водорода, названная в честь американского физика Теодора Лаймана, открывшего эту серию в 1916 году. Данная серия образуется при переходах электронов с возбуждённых энергетических уровней на первый в спектре излучения и с первого уровня на все остальные при поглощении. Переход со второго энергетического уровня на первый обозначается греческой буквой α, с 3-го на 1-й — β и т. д. Для обозначения самой серии используется латинская буква L. Таким образом, полное обозначение спектральной линии, возникающей при переходе электрона со второго уровня на первый — L_α (произносится Лайман альфа).

Формула Ридберга для серии Лаймана выглядит следующим образом:

Где n (главное квантовое число) — натуральное число большее 2.

Длины волн серии Лаймана

 

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.
Серии линий были обнаружены и в атомных спектрах всех других элементов, кроме водорода. В отличие от спектра водорода, серии линий здесь не располагаются отдельно в различных участках спектра, а накладываются друг на друга. Тем не менее, по определенным признакам (по внешнему виду линий – резкий или «диффузный», то есть размытый, по способу возбуждения излучения – дуговой или искровой, по мультиплетности, по характеру расщепления в магнитном и электрическом полях) спектроскописты научились различать эти серии.
Современные приборы для изучения спектров отличаются высокой точностью. Так, длины волн спектральных линий обычно определяют с точностью порядка 0,0001%, а часто и значительно более высокой. Атомные спектры химических элементов исследованы очень подробно (определены длины волн огромного числа спектральных линий, их интенсивность, тонкая структура и другие характеристики); получены весьма обширные и надежные данные об уровнях энергии электронов в атомах.
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.
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 другие, более далекие.
Поскольку все линии серии Лаймана расположены в далёкой ультрафиолетовой-области спектра, для которой атмосфера Земли непрозрачна, исследование серий Лаймана в спектрах небесных светил осуществляется, как правило, методами внеатмосферной астрономии. Было обнаружено, что в спектрах горячих звёзд наблюдаются сильные эмиссионные линии L_α, свидетельствующие о наличии у этих звёзд расширяющихся оболочек. С помощью наблюдений линии исследуют протяжённые водородные оболочки (короны) атмосфер Земли, Марса, Венеры и других планет, а также нейтральный компонент межзвёздной среды, проникающий в Солнечную систему (межзвездный ветер).
Для очень удалённых объектов имеется возможность наблюдать космические линии серии Лаймана в частности линию в земных условиях. Космологическое красное смещение в спектрах далёких квазаров приводит к тому, что линии серии Лаймана этих объектов для земного наблюдателя попадают в доступную для фотографической регистрации область спектра . Если в окрестности квазара имеется нейтральный водород, то в системе отсчёта, связанной с квазаром, на фоне непрерывного спектра квазара должна наблюдаться линия поглощения L_α. Таким образом, анализ фиолетовых концов спектров наиболее удалённых квазаров позволяет получить оценку плотности нейтрального водорода, расположенного в межгалактич. пространстве. Квазары в данном случае позволяют "просветить" практически всю доступную для исследований часть Вселенной.
 

Основными элементами установки для наблюдения спектральной серии водорода является:
1. Водородная лампа
2. Монохроматор специальный дифракционный для исследования спектра
3. Спектральный прибор, дающий необходимое разрешение тонкой структуры линии. Общий вид установки и расположение приборов изображены на Рис.1.

Используемая в установке водородная лампа 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.
Монохроматор состоит из оптико-механического блока и блока управления . Проходящее через входную щель излучение направляется сферическим зеркалом на реплику дифракционной решетки . Разложенное в спектр излучение направляется решеткой в плоскость выходной щели, где строятся монохроматические изображения входной щели.
Выходная щель выделяет из полученного спектра монохроматическое излучение. Длина волны выделяемого монохроматором излучения устанавливается путем поворота дифракционной решетки с помощью синусного механизма.