¿Por qué diferentes isótopos atómicos tienen diferentes espectros atómicos?

Sabemos que diferentes elementos tienen diferentes espectros atómicos como resultado de la diferencia en la carga y el blindaje de electrones que ocurre cuando se agregan protones adicionales a un núcleo.

También sabemos que el deuterio fue descubierto en 1931 por Harold Urey como resultado de los diferentes espectros atómicos entre el hidrógeno-1 y el hidrógeno-2. Como no hay cambio de carga dentro del núcleo, ¿por qué cambia el espectro atómico?

Respuestas (1)

Cuando resolvemos la ecuación de Schrödinger para el átomo de hidrógeno, encontramos que los niveles de energía son

mi norte = − α 2 metro C 2 2 norte 2 = − 13.6 mi V norte 2

dónde α ≈ 1 / 137 es la estructura fina constante y C es la velocidad de la luz. Normalmente nos aproximamos metro como la masa del electrón, pero eso es realmente incorrecto. El parámetro de masa correcto es la "masa reducida" m del sistema electrón-núcleo, que obedece

1 m = 1 metro mi + 1 metro norte = 1 metro mi ( 1 + metro mi metro norte )

El neutrón adicional en el deuterio casi duplica la masa nuclear, lo que cambia m (y por lo tanto mi ) a partir de su cuarta o quinta cifra significativa.

¿Significa esto que el cambio relativo entre los espectros del hidrógeno-3 y el hidrógeno-2 es menor que el del hidrógeno-2 y el hidrógeno-1 porque pasar del hidrógeno-1 al hidrógeno-2 duplica aproximadamente la masa pero pasar del hidrógeno-2 al hidrógeno-3 solo aumenta la masa en ≈ 1.5x?
Así es, aunque en un espectrómetro real en su mayoría estaría comparando tritio con protio.
También hay una contribución del (pequeño) cambio en la distribución de carga nuclear. En hidrógeno es pequeño comparado con el efecto de masa, pero en Z grande este es el efecto dominante.
@CWPP ¿Puede dar una referencia para efectos hiperfinos tan grandes?
Giro nuclear! Además, algunos ejemplos extremos de masa reducida en esta respuesta a ¿ Qué es un átomo "similar al hidrógeno" o "hidrogénico"?
¿Cómo se compara el efecto de la diferencia de masa con el de la interacción espín-espín?
@Sandejo Ese es un gran tema, y ​​la espectroscopia hiperfina no es mi área. Te sugiero que hagas una nueva pregunta.
¿Por qué diferentes isótopos atómicos tienen diferentes espectros atómicos?
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