Атомні спектри, спектри оптичні, що виходять при випусканні або поглащенії світла (електромагнітних хвиль) вільними або слабо зв'язаними атомами; такими спектрами володіють, зокрема, одноатомні гази і пари. А. с. є лінійчатими — вони складаються з окремих спектральних ліній. А. с. спостерігаються у вигляді яскравих кольорових ліній при свіченні газів або пари в електричній дузі або розряді (спектри випускання) і у вигляді темних ліній (спектрів поглинання). Кожна спектральна лінія характеризується певною частотою коливань v світла, що випускається або поглинається, і відповідає визначеному квантовому переходу між рівнями енергії E i і E до атома згідно із співвідношенням: hv = E i - E до , де h — Планка постійна ) . Поряд з частотою спектральну лінію можна характеризувати довжиною хвилі l = c/v, хвилевим числом 1/ l = v / з ( з — швидкість світла) і енергією фотона hv.
А. с. виникають при переходах між рівнями енергії зовнішніх електронів атома і спостерігаються у видимій, ультрафіолетовій і близькій інфрачервоній областях. Такими спектрами володіють як нейтральні, так і іонізованниє атоми; їх часто називають відповідно дуговими і іскровими спектрами (нейтральні атоми легко збуджуються і дають спектри випускання в електричних дугах, а позитивні іони збуджуються важче і дають спектри випускання переважно в іскрових електричних розрядах). Спектри іонізованних атомів зміщені по відношенню до спектрів нейтральних атомів в область великих частот, тобто в ультрафіолетову область. Це зсув тим більше, чим вище кратність іонізації атома — ніж більше електронів він втратив. Спектри нейтрального атома і його послідовних іонів позначають в спектроскопії цифрами I, II, III ... У реально спостережуваних спектрах часто присутні одночасно лінії нейтрального і іонізованних атомів; так говорять наприклад, про лінії FEI, FEII, FEIII в спектрі заліза, відповідних Fe, Fe + , Fe 2+ .
Лінії А. с. утворюють закономірні групи, називаються спектральними серіями. Проміжки між лініями в серії убувають у бік коротких довжин хвиль, і лінії сходяться до кордону серії. Найбільш простий спектр атома водню. Хвилеві числа ліній його спектру з величезною точністю визначаються формулою Бальмера:
1/l = R ( 1/n 2 1 - 1/n 2 2 ),
де n 1 і n 2 значення головного квантового числа для рівнів енергії, між якими відбувається квантовий перехід (див. Атом, мал. 1 , би). Значення n 1 = 1, 2, 3 ... визначає серію, а значення n 2 = n 1 + 1, n 1 + 2, n 1 + 3... визначає окремі лінії даної серії; R — Рідбергу постійна (виражена в хвилевих числах). При n 1 = 1 виходить серія Лаймана, лежача в далекої ультрафіолетової області спектру, при n 1 = 2 — серія Бальмера, лінії якою розташовані у видимій і близькій ультрафіолетовій областях. Серії Пашена ( n 1 = 3), Брекета ( n 1 = 4), Пфаунда ( n 1 = 5), Хамфрі ( n 1 = 6) лежать в інфрачервоної області спектру. Аналогічними спектрами, лише із збільшеним в Z 2 разів масштабом (Z — атомний номер), володіють водородоподобниє іони Не + , Li 2+ ... (спектри HEII, LIIII ...).
Спектри атомів лужних металів, що володіють одним зовнішнім (оптичним) електроном окрім заповнених оболонок, схожі із спектром атома водню, але зміщені в область менших частот; число спектральних серій збільшується, а закономірності в розташуванні ліній ускладнюються. Приклад — спектр Na, атом якого володіє нормальною електронною конфігурацією 1 s 2 2 s 2 2 p 6 3 s (див. в ст. Атом — Заповнення електронних оболонок і шарів) з легко збуджуваним зовнішнім електроном 3 s ; переходу цього електрона із стану 3 s в стан 3 p відповідає жовта лінія Na (дублет l = 5690 і l = 5696 ; див.(дивися) рис .), з якою починається т.з. головна серія Na, члени якої відповідають переходам між станом 3 s і станами 3 p, 4 p, 5 p ,... кордон серії відповідає іонізації атома Na.
Для атомів з двома або декількома зовнішніми електронами спектри значно ускладнюються, що обумовлене взаємодією електронів. А. с. особливо складні для атомів з тими, що заповнюються d- і f -оболочкамі; число ліній доходить до багатьох тисяч, і вже не можна виявити простих серій, аналогічних серіям в спектрах водню і лужних металів. Проте і в складних спектрах можна встановити певні закономірності в розташуванні ліній, виробити систематику спектру і визначити схему рівнів енергії.
Систематика спектрів атомів з двома або більш зовнішніми електронами заснована на наближеній характеристиці окремих електронів за допомогою квантових чисел n і l (див. Атом ) з обліком взаємодії цих електронів один з одним. При цьому доводиться враховувати електростатичні взаємодії електронів — відштовхування за законом Кулона, і магнітні взаємодії моментів (див. Спин, Спін-орбітальна взаємодія ) спинів і орбітальних , які приводять до тонкого розщеплювання рівнів енергії (див. Тонка структура ) . Завдяки цьому у більшості атомів спектральні лінії є більш менш тісною групою ліній, званою мультиплетом. Так, у всіх лужних металів лінії подвійні (дублети), причому відстані між мультіплетнимі рівнями збільшуються із збільшенням атомного номера елементу. В лужноземельних елементів спостерігаються одиночні лінії (сингулети) і потрійні (триплети). Спектри наступних стовпців таблиці Менделєєва утворюють усе більш складні мультіплети, причому непарним стовпцям відповідають парні мультіплети, а парним стовпцям — непарні.
Окрім тонкої структури, в А. с. спостерігається надтонка структура, обумовлена магнітними моментами ядер. Надтонка структура по порядку величини в 1000 разів вже звичайною мультіплетной структури і досліджується методами радіоспектроскопії .
В А. с. виявляються не всі переходи між рівнями енергії даного атома або іона, а лише сповна визначені, такі, що допускаються (дозволені) т.з. відбору правилами, залежними від характеристик рівнів енергії. В разі одного зовнішнього електрона можливі лише переходи, для яких азимутне квантове число l збільшується або зменшується на 1; правило відбору має вигляд: D l = ±1 . В результаті s-рівні ( l = 0) комбінують з р -уровнямі ( l = 1), р -уровні — з d -уровнямі ( l = 2) і т. д., що визначає можливі спектральні серії для атомів лужних металів, окремий випадок яких представляє головна серія Na (переходи 3 s ® np, де n = 3, 4, 5 ...); інші переходи цим правилом відбору заборонені. Для багатоелектронних атомів правила відбору мають складніший вигляд.
Кількісною характеристикою дозволеного оптичного переходу є його вірогідність (див. Вірогідність переходу ) , що визначає, як часто цей перехід може відбуватися; вірогідність заборонених переходів дорівнює нулю. Від вірогідності переходів залежать інтенсивності спектральних ліній. У простих випадках вірогідності переходів для А. с. можуть бути розраховані по методах квантової механіки .
Поряд з вивченням А. с. для вільних атомів значний інтерес представляє дослідження змін в А. с. при зовнішніх діях на атоми. Під дією зовнішнього магнітного або електричного поля відбувається розщеплювання рівнів енергії атома і відповідне розщеплювання спектральних ліній (див. Зеемана явище і Штарка явище ) .
Дослідження А. с. зіграло важливу роль в розвитку уявлень про будову атома (див. Атомна фізика ) . Методи, засновані на вивченні А. с., дуже широко поширені в різних галузях науки і техніки. А. с. дозволяють визначити ряд вельми важливих характеристик атомів і отримати коштовні відомості про будову електронних оболонок атома. Надзвичайно істотне вживання А. с. в емісійному спектральному аналізі (по А. с. випускання), який завдяки високій чутливості, прудкості і універсальності завоював міцне місце в металургії, гірничорудній промисловості, машинобудуванні і в багатьох інших галузях народного господарства; поряд з емісійним спектральним аналізом успішно застосовують і спектральний аналіз абсорбції (по А. с. поглинання).
Літ.: Шпольський Е. Ст, Атомна фізика, 5 видавництво, т. 1, М., 1963, т. 2, М., 1951: Фріш С. Е., Оптичні спектри атомів, М-код.—Л., 1963; Ельяшевіч М. А., Атомна і молекулярна спектроскопія, М., 1962.
