เส้นสเปกตรัม
การศึกษาเส้นสเปกตรัมของอะตอม > ประวัติการค้นพบเส้นสเปกตรัมของอะตอม

เมื่อปี ค.ศ. 1910 เออร์เนส รัทเธอร์ฟอร์ด นักเคมีฟิสิกส์ชาวนิวซีแลนด์ นำเสนอแบบจำลองโครงสร้างอะตอมว่าประกอบด้วย นิวเคลียสขนาดเล็กที่มีโปรตอนอยู่ตรงกลางของอะตอม โดยโปรตอนเป็นประจุบวก และมีอิเล็กตรอนซึ่งเป็นประจุลบมีมวลน้อยโคจรอยู่รอบนิวเคลียสเป็นชั้น ๆ ในอะตอม ต่อมาที่เจมส์ แชวิก นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ ค้นพบนิวตรอน ซึ่งมีค่าเป็นกลางทางไฟฟ้า แต่มีเพียงธาตุไฮโดรเจนที่ไม่มีนิวตรอน
ใน ค.ศ. 1911 นีล โบร์ นักฟิสิกส์ชาวดัทช์ สร้างแบบจำลองอะตอมของไฮโดรเจน เพื่อศึกษา ความสัมพันธ์ระหว่างโครงสร้างกับสเปกตรัมของอะตอม ซึ่งอะตอมไฮโดรเจนมีโปรตอน 1 อนุภาค และมีอิเล็กตรอน 1 อนุภาคเป็นวงโคจร 4 ชั้น คือ n = 1, 2, 3 และ 4 ตามลำดับ
อิเล็กตรอนในอะตอมนั้นสามารถข้ามชั้นวงโคจรจากวงหนึ่งสู่อีกวงหนึ่งได้ เมื่ออยู่ในสถานะพื้น หรือสถานะกระตุ้น เมื่ออะตอมได้รับพลังงานจากภายนอก อิเล็กตรอนแต่ละชั้นจะกระโดดไปทางวงโคจรชั้นนอก เกิดเป็นเส้นดูดกลืนในแถบสเปกตรัม แต่เมื่ออะตอมสูญเสียพลังงาน อิเล็กตรอนจะลงสู่วงโคจรชั้นใน เกิดเส้นแผ่รังสีสว่างบนแถบมืด ดังภาพ
อะตอมของไฮโดรเจน เมื่อได้รับรับพลังงานในช่วงความยาวคลื่น 656.3 nm ที่อิเล็กตรอนในวงโคจร n = 2 ซึ่งจะเคลื่อนตัวขึ้นสู่วงโคจร n = 3 ทำให้เกิดเส้นดูดกลืนของไฮโดรเจน-อัลฟา (H-Alpha) ดังภาพที่ 10 ทางซ้ายมือ ส่วนด้านขวา เป็นเส้นแผ่รังสีของไฮโดรเจน-อัลฟา ที่ปลดปล่อยพลังงานในช่วงความยาวคลื่น 656.3 นาโนเมตรของอะตอมของไฮโดรเจนซึ่งเกิดจากการสูญเสียพลังงาน ทำให้อิเล็กตรอนเคลื่อนตัวจากวงโคจร n = 3 ลงไปสู่วงโคจร n = 2
การเคลื่อนชั้นวงโคจรของอิเล็กตรอนไฮโดรเจนระหว่างชั้น n = 1 ถึงชั้น n = 2, 3, 4, 5, 6 ทำให้เกิดเส้นสเปกตรัมที่ความยาวคลื่น 122 nm, 103 nm, 97 nm, 95 nm, 94 nm ตามลำดับเรียกว่า อนุกรมไลมาน อยู่ในช่วงรังสีอัลตราไวโอเล็ต จึงมีพลังงานสูงมากแต่มีความยาวคลื่นสั้น
การเคลื่อนชั้นวงโคจรของอิเล็กตรอนไฮโดรเจนระหว่างชั้น n = 2 ถึงชั้น n = 3, 4, 5, 6 ทำให้เกิดเส้นสเปกตรัมที่ความยาวคลื่น 656 nm (H-alpha), 486 nm (H-beta), 434 nm (H-gamma), 410 nm (H-delta) ตามลำดับเรียกว่า อนุกรมบาลเมอร์ ซึ่งเป็นแสงที่คนสามารถมองเห็นได้
การเคลื่อนชั้นวงโคจรของอิเล็กตรอนไฮโดรเจนระหว่างชั้น n = 3 ถึงชั้น n = 4, 5, 6 ทำให้เกิดเส้นสเปกตรัมที่ความยาวคลื่น 1875 nm, 1282 nm, 1094 nm ตามลำดับเรียกว่า อนุกรมปาสเชน ในช่วงรังสีอินฟราเรด มีพลังงานต่ำแต่ความยาวคลื่นมาก
จากการเคลื่อนชั้นวงโคจรของอิเล็กตรอนในอะตอมไฮโดรเจน มีความสัมพันธ์ระหว่างความยาวคลื่นและการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในแต่ละชั้น จะมีลักษณะคล้ายกับความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิพื้นผิวและการแผ่รังสีของดาวฤกษ์ ที่ความยาวคลื่นสั้น พลังงานจะสูง และความยาวคลื่นต่ำ พลังงานจะมาก ซึ่งมีความสอดคล้องกัน
จากภาพการดูดกลืน/แผ่รังสีของทั้ง 3 อนุกรม แสดงให้เห็นถึงระดับพลังงานในอะตอม ซึ่งเรียกว่า กลศาสตร์ควอนตัม (Quantum machanics) อธิบายได้ว่า
อิเล็กตรอนที่มีพลังงานต่ำสุด อยู่ในวงโคจรชั้นล่างสุด n = 1 เมื่อได้รับพลังงานจากโฟตอน Lymann-alpha ที่มีความยาวคลื่น 122 nm และมีพลังงาน 10.19 eV ก็จะเคลื่อนขึ้นสู่วงโคจรชั้น n = 2 ได้ ในทางกลับกันหากอิเล็กตรอนลงสู่วงโคจรจากชั้น n = 2 มาที่ n = 1 ก็จะแผ่รังสี Lymann-alpha ซึ่งมีความยาวคลื่น 122 nm เหมือนกัน
ในกรณีอิเล็กตรอนเคลื่อนจาก n = 1 ไปยัง n = 3 และจาก n = 1ลงไปสู่ n = 3 เป็นไปในทำนองเดียวกันกับข้อ 1 เพียงแต่ได้รับพลังงานและแผ่รังสีเป็นโฟตอน Lymann-beta ที่ใช้พลังงาน 12.07 eV มีความยาวคลื่น 103 nm
แต่หากอะตอมได้รับพลังงานจากโฟตอนของรังสีอัลตราไวโอเล็ต หรือช่วงคลื่นรังสีที่มีความยาวคลื่นสั้นกว่า แต่มีพลังงานสูงมากกว่า 13.6 eV อิเล็กตรอนจะหลุดออกจากอะตอมไปสู่สภาวะถูกทำให้เป็นไอออน หรือกลายเป็นประจุ