原子・分子物理とレーザーの問題

ヘリウムイオン ${\mathrm{He}}^{+}$（原子番号 $Z=2$、電子 1 個の水素様イオン）で、電子が主量子数 $n=3$ の準位から $n^{\prime }=2$ の準位へ遷移するときに放出される光の波長 $\lambda$ を求めたい。水素様イオンの遷移で放出される光の波長は、リュードベリの式
$$\frac{1}{\lambda }=R{Z}^2\left(\frac{1}{n^{\prime 2}}-\frac{1}{n^2}\right)(n>n^{\prime })$$
で与えられるものとする。ここで $R$ はリュードベリ定数であり、原子核の運動（換算質量の補正）は無視する。$\lambda$ を $R$ を用いて表せ。

水素原子 $\mathrm{H}$ と、ヘリウムイオン ${}^4{\mathrm{He}}^{+}$（電子を 1 個だけもつ水素様イオン、原子番号 $Z=2$）の発光スペクトルを比べる。原子番号 $Z$、核の質量 $M$ の水素様原子で、主量子数 $n$ の準位から $n^{\prime }$ の準位（$n>n^{\prime }$）へ電子が移るときに放出される光の真空中での波長 $\lambda$ は、核の有限質量（換算質量）の効果を含めて
$$\frac{1}{\lambda }=Z^2{R}_M\left(\frac{1}{n^{\prime 2}}-\frac{1}{n^2}\right),R_M=\frac{R_{\infty }}{1+m_e/M}$$
で与えられるものとする。ここで $R_{\infty }=1.0973732\times 10^7{\text{m}}^{-1}$、陽子と電子の質量比を $m_p/m_e=1836.15$、${}^4\mathrm{He}$ 核（$\alpha$ 粒子）と電子の質量比を $m_{\alpha }/m_e=7294.30$ とする。微細構造・ラムシフトなどの補正は無視する。

水素のバルマー系列の $\mathrm{H}\alpha$ 線（$n=3\to n^{\prime }=2$）の波長を ${\lambda }_{\mathrm{H}}$ とする。${}^4{\mathrm{He}}^{+}$ のピッカリング系列（下の準位が $n^{\prime }=4$ の系列）の線のうち、波長が ${\lambda }_{\mathrm{H}}$ に最も近い線の波長を ${\lambda }_{\mathrm{He}}$ とするとき、差 ${\lambda }_{\mathrm{H}}-{\lambda }_{\mathrm{He}}$ を $\text{nm}$ 単位で有効数字 3 桁で求めよ。

原子核の電荷が $Ze$（$Z$ は正の整数）で、電子を 1 個だけもつ水素様イオンの発光スペクトルを真空中で観測した。下の準位の主量子数が共通の値 $n^{\prime }$（正の整数）であるひとつのスペクトル系列に属する線のうち、波長が最も長い線の波長は ${\lambda }_1=450.2\text{nm}$、2 番目に長い線の波長は ${\lambda }_2=291.7\text{nm}$ であった。

波数はリュードベリの式
$$\frac{1}{\lambda }=Z^{2}R\left(\frac{1}{n^{\prime 2}}-\frac{1}{n^2}\right)(n=n^{\prime }+1,n^{\prime }+2,\dots )$$
で与えられるものとし、リュードベリ定数は $R=1.097\times 10^7{\text{m}}^{-1}$ とする（原子核の運動による補正、微細構造は無視する）。

この系列の下の準位の主量子数 $n^{\prime }$ と原子核の電荷数 $Z$ を、この順に組 $(n^{\prime },Z)$ で求めよ。

水素原子の発光スペクトルの波長 $\lambda$ は、リュードベリ定数を $R$ として、リュードベリの式
$$\frac{1}{\lambda }=R\left(\frac{1}{m^2}-\frac{1}{n^2}\right)(m,n\text{は正の整数},n>m)$$
で表されるものとする。ここで $m$ は遷移の下の準位、$n$ は上の準位の主量子数である。下の準位 $m$ を固定し、上の準位 $n$ を $n=m+1,m+2,\dots$ と変えて得られる一連の線をひとまとまりのスペクトル系列とよぶ（$m=1$ がライマン系列、$m=2$ がバルマー系列）。

下の準位が $m$ である系列について、その系列で最も長い波長 ${\lambda }_{\max }$ と、$n\to \infty$ の極限で線が集まる系列限界の波長 ${\lambda }_{\infty }$ の比 $\frac{{\lambda }_{\max }}{{\lambda }_{\infty }}$ を、$m$ を用いて表せ。

エネルギー差 $E_2-E_1=h\nu$ の 2 つの準位（下の準位 1、上の準位 2）をもつ原子の集団が、絶対温度 $T$ の熱平衡にある黒体放射の中に置かれている。放射のエネルギー密度のスペクトル（単位体積・単位振動数あたり）はプランクの式
$$\rho (\nu )=\frac{8\pi h{\nu }^3}{c^3}\frac{1}{\exp \left(\frac{h\nu }{k_{\mathrm{B}}T}\right)-1}$$
で与えられるとする。準位 2 にある 1 個の原子が単位時間あたりに自然放出を起こす確率を $A_{21}$、誘導放出を起こす確率を $B_{21}\rho (\nu )$ とし、アインシュタイン係数の間には
$$\frac{A_{21}}{B_{21}}=\frac{8\pi h{\nu }^3}{c^3}$$
の関係があるものとする。ここで $h$ はプランク定数、$c$ は真空中の光速、$k_{\mathrm{B}}$ はボルツマン定数である。

遷移の波長（真空中）を $\lambda$ とする。準位 2 の原子について、誘導放出の確率と自然放出の確率がちょうど等しくなる温度 $T$ を、$h$, $c$, $k_{\mathrm{B}}$, $\lambda$ を用いて表せ。