Dyspersja światła.

Dyspersją światła nazywamy zależność współczynnika załamania światła n substancji od częstości ν (długości fali λ) światła, albo zależność prędkości fazowej v światła w ośrodku od jego częstości. Dyspersję światła można, zatem przedstawić w postaci zależności

 

 

 

 

 

 

Konsekwencją dyspersji jest rozkład wiązki światła białego na barwy spektralne po przejściu przez pryzmat. Taka zależność została po raz pierwszy opisana przez I. Newtona w 1672 roku.

      Rozważmy dyspersję światła w pryzmacie. Niech wiązka monochromatycznego światła pada na pryzmat posiadający współczynnik załamania n pod kątem α₁ (Rysunek 9.1). Po dwukrotnym załamaniu promień jest odchylony od początkowego kierunku o kąt φ. Z rysunku wynika, że

                                      
                              9.2

Załóżmy, że kąty A i α₁ są małe, wtedy kąty α₂, β₁ i β₂ też będą małe i zamiast sinusów tych kątów można podstawić ich wartości. Dlatego α₁/ β₁ = n, α₂/ β₂ = 1/n, a ponieważ β₁ + β₂ A, to
,

                                      
                                                                       9.3

Z równań 9.2 i 9.3 wynika, że

 

                                      
,                                                                      9.4

 

tzn. kąt o jaki odchyla pryzmat promienie jest tym większy, im większy kąt łamiący pryzmatu A.

      Z równania 9.4 wynika, że kąt odchylenia promieni przez pryzmat zależy od (n - 1), ale n jest funkcją długości fali, dlatego promienie różnych długości fal, przechodząc przez pryzmat, będą odchylane o różne kąty, a to oznacza, że wiązka światła białego zostanie rozciągnięta w widmo, co właśnie, zaobserwował Newton. W ten sposób, za pomocą pryzmatu, jak i za pomocą siatki dyfrakcyjnej, rozkładając światło spektralnie można określić jego skład widmowy.

      Rozważmy różnice między widmami pochodzącymi od siatki dyfrakcyjnej i pryzmatu.

      1. Siatka dyfrakcyjna rozkłada światło na określone długości fal, dlatego też mierząc kąty kolejnych maksimów można obliczyć te długość fali. Rozłożenie światła w widmo za pomocą pryzmatu odbywa się w zależności od wartości współczynników załamania, dlatego, aby obliczyć długość fali należy znać funkcję n = f(λ) (9.1).

Rysunek 9.2

nm

 

 

 

 

2. Składowe kolorów w widmie pochodzącym od siatki dyfrakcyjnej i pryzmatu rozkładają się różnie. Z rozważań z poprzedniego wykładu wynika, że dla siatki dyfrakcyjnej sinus kąta odchylenia promieni świetlnych jest proporcjonalny do długości fali. W związku z  tym promienie czerwone, mające większą długość fali niż promienie fioletowe, odchylą się bardziej. Natomiast pryzmat rozkłada promienie w widmo w zależności od współczynnika załamania, który dla wszystkich ciał przezroczystych maleje wraz z długością fali (Rysunek 9.2). W związku z tym promienie czerwone, posiadające mniejszy współczynnik załamania niż promienie fioletowe, będą odchylane słabiej.

      Wielkość

                                      
,

 

zwana dyspersją materiału, wskazuje jak szybko zmienia się współczynnik załamania wraz z długością fali. Z rysunku 9.2 wynika, że współczynnik załamania światła n dla materiałów przezroczystych wzrasta monotonicznie wraz z maleniem długości fali λ; w związku z tym wartość bezwzględna dn/dλ również rośnie wraz z maleniem λ. Taką dyspersję nazywamy dyspersją normalną. Jak będzie wyjaśnione dalej, zależność krzywej n(λ) - krzywej dyspersji, w pobliżu linii lub pasm absorpcji, będzie inny, tzn. wraz ze zmniejszaniem się λ, będzie zmniejszał się współczynnik załamania światła. Ten rodzaj dyspersji nazywamy dyspersją anomalną.

      Na bazie zjawiska dyspersji normalnej oparta jest budowa spektrografów pryzmatycznych. Pomimo pewnych ich niedostatków podczas wyznaczania składu widmowego ciała (na przykład, konieczność kalibracji), spektrografy pryzmatyczne znajdują szerokie zastosowanie w analizie widmowej. Dzieje się tak dlatego, że przygotowanie pryzmatów dobrej jakości jest łatwiejsze od przygotowania dobrych siatek dyfrakcyjnych. Spektrografy pryzmatyczne dają też większe natężenie światła.

Absorpcja światła.

Absorpcją (pochłanianiem) światła nazywamy zjawisko tracenia energii przez falę świetlną podczas przechodzenia przez ośrodek. Te straty energii są skutkiem zamiany energii fali w różne formy energii wewnętrznej ośrodka lub w energię promieniowania wtórnego o innych kierunkach i częstościach. W wyniku absorpcji natężenie światła podczas przechodzenia przez ośrodek maleje.

Pochłanianie światła w substancji opisane jest prawem Bouguera:

 

gdzie I₀ i I - natężenia płaskiej monochromatycznej fali podczas padania i wychodzenia z warstwy pochłaniającej światło o grubości x, α  - współczynnik pochłaniania, zależny od długości fali światła, składu chemicznego i stanu skupienia substancji, a nie zależny od natężenia światła. Dla x = 1/α natężenie światła maleje e razy.

      Współczynnik pochłaniania zależy od długości fali świetlnej λ (lub częstości ω) i jest różny dla różnych substancji. Na przykład gazy jednoatomowe i pary metali (tj. gazy, w których atomy położone są w znacznych odległościach od siebie i można je uważać za izolowane) posiadają współczynnik pochłaniania bliski zeru i tylko dla bardzo wąskich obszarów widmowych (mniej więcej 10^-12 - 10^-11m) obserwowane są ostre maksima (tzw. liniowe widmo pochłaniania). Linie te odpowiadają częstością własnym drgań elektronów w atomie. Widmo pochłaniania cząstek wynika z drgań atomów w cząstkach i charakteryzuje się pasmami pochłaniania (mniej więcej   10^-10 - 10^-7m).

      Współczynnik pochłaniania dla dielektryków jest raczej niewielki (około 10^-3 - 10^-5 cm^-1), jednak obserwuje się w nich selektywne pochłanianie światła w pewnych przedziałach długości fal. W przedziałach tych α gwałtownie wzrasta i obserwowane są stosunkowe szerokie przedziały pochłaniania (rzędu 10^-7 - 10^-6 m) zwane ciągłym widmem pochłaniania.

Związane jest to z tym, że w dielektrykach praktycznie nie występują swobodne elektrony i pochłanianie światła uwarunkowane jest zjawiskiem rezonansu podczas wymuszonych drgań elektronów w atomach i atomów w cząsteczkach dielektryka.

      Współczynnik pochłaniania światła dla metali ma dużą wartość (10³ - 10⁴ cm^-1), i dlatego metale są praktycznie nieprzezroczyste. W metalach, z powodu obecności swobodnych elektronów poruszających się pod wpływem pola elektrycznego fali świetlnej, powstają szybkozmienne prądy, którym towarzyszy wydzielanie ciepła Joule'a. Z tego powodu energia fali świetlnej szybko maleje, zamieniając się w energię wewnętrzną metalu. Im większe przewodnictwo metalu, tym silniejsze pochłanianie światła.

      Na rysunku 9.4 pokazana jest typowa zależność współczynnika pochłaniania α od długości fali λ i zależność współczynnika załamania n od λ w obszarze pasma pochłaniania. Z wykresów wynika, że wewnątrz pasma pochłaniania obserwuje się dyspersję anomalną (n maleje wraz ze zmniejszaniem się λ). Jednak pochłanianie ośrodka powinno być znaczne, aby mogło wpłynąć na przebieg współczynnika załamania.

     

Rysunek 9.4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Na podstawie zależności współczynnika pochłaniania światła od długości fali można wytłumaczyć zabarwienie pochłaniających ciał. Na przykład szkło, które słabo pochłania promienie czerwone i pomarańczowe, a silnie promienie zielone i niebieskie, podczas oświetlania białym światłem bezie wydawać się czerwonawym. Jeżeli na takie szkło skierować światło zielone i niebieskie, to z powodu silnego pochłaniania tych długości szkło będzie wydawać czarnym. Zjawisko to wykorzystuje się w filtrach świetlnych, które w zależności od składu chemicznego (szkła z domieszkami różnych soli, plastikowe płytki zawierające barwniki) przepuszczają światło tylko o określonych długościach fal pochłaniając resztę. Różnorodność kolorów i bogactwo barw przedmiotów w otaczającym świecie wyjaśnia się właśnie na podstawie różnorodnych przedziałów selektywnego pochłaniania światła.

Fale elektromagnetyczne - zaburzenia pola elektromagnetycznego rozchodzące się w przestrzeni ze skończoną prędkością. Fale elektromagnetyczne są falami poprzecznymi, tzn. w każdym punkcie pola wektor natężenia pola elektrycznego E i wektor indukcji magnetycznej B są prostopadłe do kierunku rozchodzenia się fal elektromagnetycznych i do siebie, a ich prędkość rozchodzenia się w próżni c m/s. Własności, warunki powstawania i rozprzestrzeniania się fal elektromagnetycznych opisują w zupełności równania falowe wynikające z równań Maxwella. Istotny wpływ na takie własności fal elektromagnetycznych, jak prędkość rozchodzenia się, polaryzacja, natężenie, ma ośrodek, w którym się fale elektromagnetyczne rozchodzą. W realnych ośrodkach występuje dyspersja fal elektromagnetycznych, tzn. zależność prędkości ich rozchodzenia się od częstości fali. Charakterystyczne dla fal elektromagnetycznych są zjawiska interferencji, dyfrakcji, załamania, oraz całkowitego wewnętrznego odbicia. Charakterystyka przestrzenno-czasowa fal elektromagnetycznych jest określana zarówno przez własności ośrodka, w którym się one rozchodzą, jak przez własności źródła promieniowania. Najprostszy przypadek wzbudzenia oraz rozprzestrzeniania się fal elektromagnetycznych stanowi wzbudzenie w jednorodnym ośrodku izotropowym za pomocą drgającego dipola Hertza. Stanowi go odcinek przewodu o długości l ( - długość wytwarzanej fali elektromagnetycznej), elektrycznie obojętny jako całość, opisany przez elektryczny moment dipolowy. W odległości od dipola dużo większej od tworzy się strefa falowa, gdzie rozchodzą się fale elektromagnetyczne poprzeczne, spolaryzowane liniowo. Ze względu na różne sposoby wytwarzania, odbioru i detekcji fal elektromagnetycznych, jak również ze wzglNatura Światła

2.1 Kolor

Różne barwy światła powodowane są różną częstotliwością zmian pola elektromagnetycznego. Dla barwy czerwonej jest to około 4 x 1014, a dla koloru niebieskiego mniej więcej 7.5 X 1014. Spektrum światła widzialnego jest też często definiowane zakresem długości fal, co dla koloru fioletowego wynosi 35 milionowych centymetra a dla barwnika czerwonego wynosi 75 milionowych centymetra. Ściślej chodzi o długości fal od 350-380nm do 750-760nm.

Wyższe częstotliwości, posiadające krótsze fale nazywane są nadfioletem, tak zwanym, UV ( Ultra Violet), częstotliwości jeszcze wyższe to fale X. Częstotliwości niższe to podczerwień, a promieniowanie o jeszcze mniejszej częstotliwości jest charakterystyczne dla fal radiowych. Większość tego światła pochodzi od rozgrzanych, drgających elektronów, im wyższa temperatura tym większa częstotliwość drgań.

Kiedy światło zderza się z obiektem rozprasza się lub odbija w zależności od materiału, z którego ciało jest zrobione. Niektóre częstotliwości są pochłaniane bardziej od innych, co nadaje obiektom charakterystyczną barwę. Powierzchnie białe odbijają promieniowanie w całości a czarne całe pochłaniają.

Pierwszego rozszczepienia światła na poszczególne barwy składowe dokonał Isaak Newton posługując się zwyczajnym kryształem i własnościami światła, chodzi tu konkretnie o różne długości fal dla poszczególnych kolorów.

2.2.1 Właściwości Falowe

Właściwości falowe obserwujemy w czasie odbijania i załamywania światła, dyfrakcji, interferencji, czy polaryzacji. Powierzchnie szorstkie odbijają światło rozpraszając je a płaszczyzny gładkie odbijają fale pod określonym kątem, który jest równy kątowi padania promieni. Zjawisko to wykorzystuje się w teleskopach, i lustrach wszelkiego rodzaju.

Światło rozchodzi się po prostych liniach i rozszerza proporcjonalnie do odległości. Kiedy przechodzi z jednego przezroczystego ośrodka w drugi promienie uginają się, czyli występuje zjawisko refrakcji fal, które powoduje, że słomka zanurzona w wodzie zdaje się zginać w miejscu zetknięcia z powierzchnią wody.

Zjawisko to po raz pierwszy zbadał matematyk holenderski Willebrord Snell w roku 1621. Wiązka laserowa padająca na szkło pod kątem zwanym kątem padania załamuje się w szkle, ponieważ prędkość światła w szkle jest mniejsza od prędkości światła w powietrzu. Stosunek tych prędkości nazywany współczynnikiem załamania. Miarą załamania wiązki światła zwana jest współczynnikiem załamania. Względem powietrza wynosi ona 1 - dla powietrza, 1,3 - dla wody, 1,5 - dla szkła.

Kąt załamania jest proporcjonalny do kąta padania. Przy kącie padania zwanym granicznym, kąt załamania jest tak duży, że światło nie opuszcza szkła i ulega odbiciu wewnętrznemu. Zasadę odbicia wewnętrznego wykorzystują między innymi włókna światłowodowe.

Jeśli dwie fale mechaniczne o tej samej częstotliwości poruszają się w przybliżeniu w tym samym kierunku i mają różnicę faz stałą w czasie ( fala jest "równomierna"), to mogą one tak się na siebie nakładać, że ich energia nie jest rozłożona równomiernie, lecz jest maksymalna w pewnych punktach i minimalna w innych. Należy dodać, że nie dotyczy do tylko fal świetlnych, lecz jest to ogólna cecha zjawisk falowych, nie tylko promieniowania.

Dyfrakcja to zjawisko polegające na uginaniu się promieni słonecznych przechodzących w pobliżu przeszkody, takiej jak brzeg szczeliny. Zjawisko to możemy obserwować patrząc przez szparkę między dwoma palcami na odległe źródło światła takie jak uliczny neon czy latarnia.

Zwykle efekty dyfrakcyjne są niewielkie i trzeba ich uważnie szukać, poza tym większość źródeł światła to przedmioty rozciągłe i dlatego obraz dyfrakcyjny wytworzony przez jeden punkt źródła jest zakrywany przez drugi. Wreszcie, zwykłe źródła światła nie są monochromatyczne ( jednokolorowe), więc obrazy dla różnych długości fal nakładają się, przez co zjawisko jest mało widoczne.

Zjawisko polaryzacji jest tak rozległe, że jego opisanie jest tematem na inną książkę. Wyjaśnię pokrótce, że chodzi płaszczyznę drgań wiązki światła i o kierunki wektorów w promieniowaniu porzecznym, który światło jest zgodnie z elektromagnetyczna teoria promieniotwórczości.

2.2.2 Właściwości Korpuskularne

Właściwości korpuskularne światła potwierdzają zjawiska luminescencji, fotoelektryczności, jonizacji oraz ciśnienie wywierane przez światło. Cząsteczki światła nazywamy fotonami.

Luminescencja jest zjawiskiem emisji promieniowania elektromagnetycznego przez atomy i cząsteczki podczas przechodzenia ze stanu wzbudzonego do stanu podstawowego lub stanu wzbudzonego o niższej energii. Promieniowanie to stanowi nadwyżkę na promieniowaniem cieplnym. Wyróżnia się wiele rodzajów luminescencji w zależności o czynnika, który powoduje zmianę stanu substancji.

Zjawisko fotoelektryczne występuje w ciałach pod wpływem światła i jest związane z przekazaniem energii fotonu do wolnych elektronów w substancji, powoduje to w zależności od materiału zwiększenie przewodnictwa dialektyka, lub powstanie siły elektromotorycznej. Zjawisko jest wykorzystywane przy budowie ogniw fotoelektrycznych, popularnych baterii słonecznych.

Jonizacja a właściwie fotojonizacja, jest to oderwanie elektronu od obojętnego atomu lub cząsteczki. Aby nastąpiło atomowi musi być dostarczona energia, której ilość zależy od atomu i stanu elektronu w atomie. W wypadku fotojonizacji energia ta jest dostarczana przez promieniowanie elektromagnetyczne a w naszym przypadku światło. Umożliwia to między innymi ogrzanie gazów do bardzo wysokich temperatur.

Ciśnienie promieniowania elektromagnetycznego wywoływane przez padającą na płaską powierzchnię falę elektromagnetyczną jest równe gęstości energii tej fali. Występowanie ciśnienia światła wskazuje, że strumień promieniowanie niesie nie tylko energię, ale także pęd. Z punktu widzenia teorii kwantowej ciśnienie promieniowania jest rezultatem przekazania pędu między fotonami a ciałem pochłaniającym lub odbijającym. Ciśnienie promieniowania słonecznego jest równe około 10-5 Pa a ciśnienie bardzo silnych laserów wynosi mniej więcej 105.

3. Prędkość Światła

Wynosi w próżni c = 2,99792458 x 108 m/s w innych środowiskach porusza się wolniej, z prędkością równa iloczynowi c i współczynnikowi załamania danego ośrodka. Prędkość światła po raz pierwszy została zmierzona w laboratorium przez francuskiego fizyka Armand Hippolyte Louis Fizeau'a. Dzisiaj prędkość, którą oznaczamy jako c jest używana do wyznaczania czasów odbicia się od powierzchni i powrotu fal radiowych, co jest podstawą działania radarów czy sonarów.

Prędkość światła jest stała w próżni a w powietrzu wynosi mniej więcej 2,9079868426 x 108 m/s, w wodzie 2,248443435 x 108 m/s, a w szkle 1,9786302228 x 108 m/s.

3.1 Teoria Względności

Mówi nam o szczególnym znaczeniu prędkości światła. Teoria względności lub niezmienników Alberta Einsteina ogłoszona w 1905r. Przyjmuje prędkość światła jako wartość bezwzględną i nadaje jej literę c. Uznaje ona prędkość światła za stałą i nie przekraczalną, podważając przy tym teorię Newtona.

Albert Einstein wyprowadza słynne równanie, E = mc2, dotyczące równości pomiędzy energią a iloczynowi masy i prędkości światła podniesionej do kwadratu.

4. Światło widzialne

Olbrzymi wpływ na kształtowanie życia i jego rozwój. Jest podstawowym źródłem energii na ziemi i jedynym w przestrzenni kosmicznej. Umożliwia powstanie wspaniałych cywilizacji zależnych od Słońca. Na nim opiera się nasz główny zmysł - wzrok. Nadal pozostaje jedną z największych zagadek naszych czasów.

Spektroskop, uproszczony spektromet, który umożliwia wyłącznie ogląd widma danego rodzaju promieniowania.

Widmo, rozkład natężenia promieniowania w zależności od jego energii, częstotliwości lub długości fali. Wyróżnia się widma: akustyczne, świetlne, radiowe, mikrofalowe, podczerwone, ultrafioletowe, rentgenowskie, promieniowania gamma, alfa i beta, promieniowania korpuskularnego, neutronów, neutrin itd.

Widmo dostarcza wielu informacji o źródle danego promieniowania (tzw. Widmo emisyjne), a często i o ośrodku, przez który ono przenikało (tzw. Widmo absorpcyjne) Badanie widm różnego rodzaju nosi ogólną nazwę spektroskpopii (lub spektrometrii).

Spektrometr optyczny, przyrząd służący do otrzymywania i analizowania widm promieniowania świetlnego (od podczerwieni do ultrafioletu). Najczęściej stosuje się spektrometry optyczne, które tworzą widma w ten sposób, że światło o różnych długościach fali kierowane jest pod różnym kątem (załamanie światła, pryzmat), albo dzięki wykorzystaniu różnicy długości dróg optycznych ugiętych i interferujących ze sobą promieni (siatka dyfrakcyjna).

Istnieją ponadto spektrometry optyczne fourierowskie oraz filtracyjne. Typowy spektrometr optyczny tworzą: kolimator, obiektyw element dyspersyjny (tj. pryzmat, siatka dyfrakcyjna itp.), obiektyw kamery rejestrującej i element rejestracji widma, którym w spektrometrze jest fotometr.

Widmo emisyjne, widmo wybranego typu promieniowania wysyłanego przez dany obiekt. W przypadku fal elektromagnetycznych (od mikrofal po promieniowanie rentgenowskie i gamma) emitowanych przez pojedyncze atomy (lub jądra) widmo emisyjne ma linie widmowe o ściśle określonych energiach.

Jest to rezultatem istnienia skwantowanych poziomów energetycznych - emitowane promieniowanie może mieć tylko pewne dopuszczalne energie, równe różnicy energii dwóch stanów kwantowych układu (świecenie ciał). Powstające widmo, tzw. widmo liniowe, niesie informacje o składzie chemicznym, także izotopowym (w przypadku widma emisyjnego promieniowania gamma lub alfa), źródła, co jest wykorzystywane do wykonywania analiz jego składu chemicznego (i izotopowego).

W pewnych obszarach widma emisyjnego, przy gęstej strukturze linii, obserwuje sie tzw. widma pasmowe - struktura pasm dostarcza informacji o budowie cząstek (np. widmo emisyjne podczerwone cząsteczek organicznnych). Przy zlaniu się poziomów energetycznych w szerokie pasma (jak w przypadku promieniowania cieplnego ciał stałych lub gazu w wysokiej temperaturze i pod wysokim ciśnieniem), obserwuje się widma ciągłe (np. widmo emisyjne światła żarówki lub Słońca).

Widmo absorpcyjne, widmo powstające przy przenikaniu promieniowania przez materię dla niego przezroczystą. W przypadku fal elektromagnetycznych atomy ośrodka pochłaniają rezonansowo promieniowanie o energii odpowiadającej swojej strukturze energetycznej i natychmiast potem spontanicznie emitują światło, przy czym emisja owa zachodzi izotropowo.

W kierunku rozchodzenia się padającej fali elektromagnetycznej w widmie absorpcyjnym obserwuje się bardzo silne zaniki natężenia dla energii właściwych danej substancji. Umożliwia to badanie składu chemicznego absorbenta

Widmo emisyjne - widmo spektroskopowe, które jest obrazem promieniowania elektromagnetycznego wysyłanego przez ciało.

Widmo emisyjne powstaje gdy obdarzone ładunkiem elektrycznym (elektrony, atomy, cząstki lub fragmenty cząsteczek tworzących dane ciało) będąc wzbudzonymi przechodzą ze stanu o wyższej do stanu o niższej energii. Przejściu temu towarzyszy emisja kwantu promieniowania elektromagnetycznego o energii równej różnicy energii poziomów między, którymi przeszła cząstka.

Widma emisyjne charakteryzują się:

Dla gazów prostych atomów - widmo emisyjne przyjmuje często formę serii dobrze rozseparowanych częstotliwości, które spektrometry rejestrują w formie prążków. Układ tych prążków jednoznacznie wskazuje na obecność określonego pierwiastka w gazie i jest nazywany widmem atomowym. Umożliwia to m.in. ustalanie na podstawie widm emisyjnych składu pierwiastkowego odległych ciał niebieskich.

Dla ciał stałych i cieczy - widmo emisyjne jest ciągłe.Dla gazów atomów o złożonej budowie dają widmo pasmowe czyli składające się z pasów.

Ze względu na wygląd widma

widmo ciągłe - ma postać ciągłego obszaru lub szerokich pasów (widmo o składowych, występujących w sposób ciągły wzdłuż skali częstotliwości),

Liniowe widmo emisyjne azotu

widmo liniowe - ma postać oddzielnych linii na pasku widmowym; typowo występuje dla atomów gazów rozrzedzonych,

Ze względu na sposób powstania

widmo emisyjne - powstaje w wyniku emisji promieniowania przez ciało

absorpcyjne - powstaje w wyniku oddziaływania (przejścia lub odbicia) fali o widmie zazwyczaj ciągłym z substancją.

W zależności od rodzaju fali:

optyczne

rentgenowskie

dźwiękowe

i inne.

Widma liniowe

Planck z powodzeniem wyjaśnił naturę promieniowania ogrzanych ciał stałych (np. żarówka). Promieniowanie to tworzy widmo ciągłe. Tymczasem zaobserwowano, że promieniowanie emitowane przez pobudzone do świecenia gazy i pary daje charakterystyczne widma nieciągłe, złożone z oddzielonych od siebie linii, przy czym linie te pogrupowane są w widmie w tzw. serie. Widmo takie nazywamy widmem liniowym. Każdy pierwiastek ma charakterystyczną dla siebie strukturę linii. Wynika stąd możliwość analizy widmowej, czyli wykrywania obecności danego pierwiastka w składzie badanej substancji. Jest to metoda bardzo czuła pozwala zarejestrować obecność nawet śladowych ilości pierwiastka (rzędu 10^-7mg). Metodę analizy widmowej stosuje się między innymi do określania składu chemicznego ciał niebieskich.

Wodór jako pierwiastek zbudowany z najprostszych atomów ma stosunkowo proste widmo, które stało się podstawą modeli teoretycznych wyjaśniających budowę atomu.

Serie widmowe wodoru:

1885 r. Balmer - w obszarze widzialnym zauważył 9 linii układających się w myśl zależności:

, gdzie B=3646 Å, n=3,4,5...

Rydberg - zaproponował, aby liczby falowe w serii Balmera opisać za pomocą wzoru:

, n=3,4,5...

R_H=10967758 m^-1 - stała Rydberga (wyznaczona na podstawie dopasowania do danych doświadczalnych),
- liczba falowa, określająca ile razy długość fali mieści się w jednostce długości.

Później odkryto kolejne serie w widmie wodoru:

1906 r. Lyman n=2,3,4 ... (ultrafiolet)

1908 r. Paschen n=4,5,6 ... (podczerwień)

1922 r. Brackett n=5,6,7 ... (podczerwień)

1924 r. Pfund n=6,7,8 ... (podczerwień)

1952 r. Humphreys n=7,8,9 ... (podczerwień)

Wzór Rydberga można uogólnić aby poprawnie opisywał również długości fali we wszystkich pozostałych seriach widma wodoru.

, gdzie k=1,2,3, ...

---