thumb|Het spectrum van waterstof op een logarithmische schaal van de golflengte. Het waterstofspectrum is de verzameling van golflengten (kleuren) van licht dat een waterstofatoom kan uitzenden. De bijbehorende frequenties worden gegeven door de formule van Johannes Rydberg. De spectraallijnen van waterstof zijn in de sterrenkunde van belang om waterstof aan te tonen en de snelheid van materie te bepalen met behulp van de roodverschuiving.
Energieniveaus thumb|left|400px|Overgangen van elektronen en de bijbehorende golflengtes van de uitgezonden fotonen voor de eerste drie reeksen van waterstof. De energieniveaus zijn niet op schaal weergegeven. Waterstof is het eerste element in het periodiek systeem. Het atoom bevat één proton en één elektron. Dit elektron kan zich slechts op wel bepaalde energieniveaus bevinden (zie atoommodel van Bohr). Wanneer het elektron zich van een hoger naar een lager energieniveau begeeft zendt het een foton uit waarvan de energie gelijk is aan het verschil van de twee energieniveaus. Bijgevolg kan het atoom slechts licht uitzenden van karakteristieke discrete frequenties: het zogenaamde spectrum. Dit spectrum is specifiek voor elk atoom en is een soort vingerafdruk van elk element. Zo kan men over grote afstanden de samenstelling van de sterren vaststellen door hun spectrum in spectraallijnen te ontleden door middel van astronomische spectroscopie.
Onderzoekers vonden wetmatigheden in de frequenties, die, zo bleek later, terug te voeren waren tot het energieniveau waarnaar de elektronen terugvielen. Zo zijn er de volgende reeksen: Naam van de reeksAfkortingEnergieniveauGolflengtesLymanLy1e121,6 - 91,1 nmBalmerBa2e656 - 365 nmPaschenPa3e1870 - 820 nmBrackettBr4e4050 - 1460 nmPfundPf5e7460 - 2280 nmHumphreysHu6e12377 - 3280 nm
De golflengte 656 nm die bij terugval van niveau 3 naar 2 ontstaat is de zogenaamde Hα-lijn, die de karakteristieke rode kleur van emissienevels veroorzaakt. In de Balmerreeks is het de overgang met het kleinste energieverschil tussen de elektronenbanen (orbitalen), dus de grootste golflengte. Naarmate het elektron uit een hogere baan terugkeert, wordt het energieverschil groter, de golflengte dus kleiner. Omdat de hogere orbitalen in energie steeds dichter op elkaar liggen, komen de spectraallijnen ook steeds dichter op elkaar te liggen.
Rydbergformule De energieverschillen tussen de niveaus in het Bohrmodel en daarmee ook de golflengten van de geabsorbeerde en uitgezonden fotonen worden gegeven door de Rydbergformule:Bohr, Niels hoofdstuk Rydberg's discovery of the spectral laws in Ed. Kalckar, J.: N. Bohr: Collected Works, North-Holland Publ., Amsterdam, 1985, volume 10, p 373–9
met n het beginenergieniveau, n′ het uiteindelijke energieniveau en R de Rydbergconstante. CODATA Recommended Values of the Fundamental Physical Constants: 2006 Committee on Data for Science and Technology (CODATA), NIST De formule levert alleen zinnige resultaten groter dan nul als n groter is dan n′. De limiet van is 0.
Reeksen Alle golflengten λ worden in nanometer met drie significante cijfers gegeven. Lymanreeksn′ = 1Balmerreeks n′ = 2Paschenreeks n′ = 3Brackettreeks n′ = 4 Pfundreeks n′ = 5Humphreysreeksn′ = 62 122Naam3 103 656 H - α4 97,2 486 H - β 18705 94,9 434 H - γ 1280 40506 93,7 410 H - δ 1090 2630 74607 397 H - ε 1000 2170 4650 124008 954 1940 3740 75009 1820 3300 591010 3040 513011 4670∞ 91,1 365 820 1460 2280 3280
De Lymanreeks is genoemd naar Theodore Lyman, die deze spectraallijnen ontdekte tussen 1906-1914. Alle golflengten in de Lymanreeks liggen in het ultraviolet.Theodore, Lyman: The Spectrum of Hydrogen in the Region of Extremely Short Wave-Length, Memoirs of the American Academy of Arts and Sciences, volume 13, issue 3, New Series, p 125–146 Op JSTOR ISSN 0096-6134, 1906Lyman, Theodore: An Extension of the Spectrum in the Extreme Ultra-Violet, 1914, Nature volume 93, p241 doi=10.1038/093241a0
De Balmerreeks is genoemd naar Johann Jakob Balmer, die de empirische vergelijking formuleerde in 1885. Met de Balmerformule kunnen de golflengten van de spectraallijnen voorspeld worden. Balmerlijnen heten volgens de traditie "H-alfa", "H-beta", "H-gamma" enz., waarin H het element waterstof aanduidt.J.J. Balmer: Notiz über die Spectrallinien des Wasserstoffs, Annalen der Physik vol 261, 5, p80–87, 1885 doi=10.1002/andp.18852610506 Vier Balmerlijnen vallen in het zichtbare deel van het spectrum, met golflengten langer dan 400 nm. Delen van de Balmerreeks komen voor in het zonnespectrum. H-alfa is belangrijk in de sterrenkunde om waterstof aan te tonen.
thumb|757px|center|De zichtbare spectraallijnen van het emissiespectrum van waterstof in de Balmerreeks. H-alfa is de rode lijn rechts, H-beta de groenblauwe lijn links daarvan, enzovoort.
De Paschenreeks is genoemd naar de Oostenrijks-Duitse natuurkundige Friedrich Paschen die haar het eerst waarnam in 1908. De Paschenlijnen liggen alle in het infrarood.Friedrich Paschen: Zur Kenntnis ultraroter Linienspektra. I. (Normalwellenlängen bis 27000 Å.-E.), Annalen der Physik, 332, 13, p537–570 doi=10.1002/andp.19083321303
De Amerikaanse natuurkundige Frederick Sumner Brackett nam de Brackettreeks als eerste waar in 1922.Frederick Sumner Brackett 1922: Visible and infra-red radiation of hydrogen, Astrophysical Journal 56, p154, doi=10.1086/142697
De Pfundreeks werd experimenteel ontdekt in 1924 door August Herman Pfund.A. H. Pfund: The emission of nitrogen and hydrogen in infrared, 1924, J. Opt. Soc. Am. 9, 3, p193–196 doi=10.1364/JOSA.9.000193
De Humphreysreeks werd ontdekt door de Amerikaanse natuurkundige Curtis J. Humphreys.C.J. Humphreys: Humphreys Series, J. Research Natl. Bur. Standards, 1953, vol 50
Rol in de astronomie thumb|260px|het spectrum van de A0 ster Wega tussen 382 en 1020 nm met links sterke Balmerlijnen De Balmerreeks wordt vaak gebruikt in de astronomie omdat waterstof het meest voorkomende element is in het heelal. Zo bijvoorbeeld om de ouderdom (spectraalklasse) van sterren vast te stellen. Jonge B- en A-sterren laten sterke Balmer-absorptielijnen zien in hun spectra.
Zie ook Moleculaire wolk H-II-gebied Planetaire nevel Rydberg-formule 21cm-lijn
Categorie:Natuurkunde Categorie:Waterstof