Por que o espectro de hélio é diferente do espectro de hidrogênio?

Bem, não é apenas um átomo diferente, com mais de um elétron? O espectro de hélio deve ser mais complexo, porque agora o momento angular se torna um fator para o qual as transições são permitidas; deve mudar por #1# de cada vez.

Exemplos:

#1s -> 2p# (#"58.4 nm"#)
#2s -> 3p# (#"501.6 nm"#)
#2p -> 4d# (#"492.2 nm"#)
#2p -> 4s# (#"504.8 nm"#)

O níveis de energia do hidrogênio átomo são bem conhecidos:

#E_n = -"13.6058 eV" cdot Z^2/n^2#

where #Z = 1# for hydrogen atom.

Aqueles para hélio não possuem uma fórmula direta, mas são conhecidas experimentalmente.

Usando o Excel e os níveis de energia de hélio dados numericamente aqui (estimando o #4s# e #5s#), Eu os sobreponho ao lado do hidrogênio:

Essas diferenças de nível de energia são diferentes e, como as transições entre elas levam a um espectro, é claro que o espectro também é diferente ...

Para ser justo, eu ignorei o #2p#, #3p#, #3d#, #4p#, #4d#e #4f# níveis de energia, que estão presentes e se separam dos #s# níveis de hélio (mas são degenerar em hidrogênio), porque são muito sutis na escala acima:

Isso ocorre porque ter dois elétrons no hélio introduz a correlação eletrônica, que divide níveis de momento angular diferente, porque eles não têm mais simetria esférica.

Além dessa diferença, que é facilmente vista em átomos de vários elétrons tendo, por exemplo, energias potenciais orbitais #V_(2s) ne V_(2p)#, #V_(3s) ne V_(3p) ne V_(3d)#, etc., podemos ver as seguintes tendências:

Os mais baixos níveis de energia diminuir para mais pesado átomos, sabendo que os níveis de energia dependem diretamente do número atômico ao quadrado.
Os níveis mais baixos de energia tornam-se mais espalhado do resto, em Maior átomos, obviamente, porque átomos maiores têm uma carga nuclear efetiva maior #Z_(eff)#, que é mais facilmente visto através da atração mais significativa dos principais níveis de energia (#n = 1# em ambos os átomos).

Como as lacunas no nível de energia aumentam, esperamos ver mudanças nas transições eletrônicas para menor comprimento de onda para hélio comparado ao hidrogênio.

(De fato, o #1s -> 2s# transição é #"58.4 nm"# para hélio em comparação com #"121.5 nm"# para hidrogênio.)