對(duì)《原子結(jié)構(gòu)》中一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題的淺析

梁漢儒

摘 要：與以往教材相比，由于現(xiàn)行《氫原子光譜》這節(jié)刪去了一部分內(nèi)容，學(xué)生和部分教師對(duì)于“物質(zhì)為何有時(shí)產(chǎn)生的是連續(xù)光譜，有時(shí)產(chǎn)生的卻是明線光譜”這一問(wèn)題存在知識(shí)上的不足，或知識(shí)不系統(tǒng)等。本文從原子間距入手，結(jié)合量子理論對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行闡述。由于本文主要結(jié)合高中課本內(nèi)容，起點(diǎn)較低，從而易于理解。

關(guān)鍵詞：氫原子光譜；量子理論；分子間距；連續(xù)光譜；明線光譜；能級(jí)；躍遷

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2015）5-0036-2

普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)《物理》（人教版）選修3-5，第十八章《原子結(jié)構(gòu)》的《氫原子光譜》這節(jié)內(nèi)容，與以往教材相比，變化較大。新課改可能從減輕學(xué)生負(fù)擔(dān)方面考慮，刪去了發(fā)射光譜、吸收光譜的概念和產(chǎn)生條件，光譜分析的內(nèi)容也刪去。這部分內(nèi)容難度上雖然降下來(lái)了，但學(xué)生對(duì)這部分的興趣與疑問(wèn)并沒(méi)降低，如連續(xù)光譜與明線光譜是如何產(chǎn)生的？物質(zhì)為何有時(shí)產(chǎn)生的是連續(xù)光譜有時(shí)產(chǎn)生的卻是明線光譜？對(duì)于前一問(wèn)題在課改前從課本上就可以解決，而對(duì)于后一問(wèn)題現(xiàn)行課本沒(méi)涉及，閱讀材料上也未解釋。并且一些教師在后一問(wèn)題上還存在知識(shí)上的不足，或知識(shí)不系統(tǒng)等等。鑒于以上原因，筆者就這些問(wèn)題做一粗淺的分析，力求把問(wèn)題簡(jiǎn)單化，不當(dāng)之處敬請(qǐng)批評(píng)指正。

當(dāng)物體從外界獲得能量后，只要不發(fā)生化學(xué)變化，它總要回復(fù)到原來(lái)的平衡狀態(tài)。在這個(gè)過(guò)程中，一部分多余的能量通過(guò)光或熱的形式釋放出來(lái)。如果這部分能量是以可見(jiàn)光或近可見(jiàn)光的電磁波形式發(fā)射出來(lái)，就稱這種現(xiàn)象為發(fā)光。而物體中光的發(fā)射，也總是伴隨著處于高能態(tài)的電子向低能態(tài)的躍遷。根據(jù)量子理論，原子在兩個(gè)能級(jí)E1和E2間躍遷時(shí)，產(chǎn)生的光子的頻率為ν=■，如果E1和E2中任何一個(gè)（或二者）的數(shù)值可連續(xù)變化，則ν的數(shù)值也將連續(xù)變化，這就會(huì)產(chǎn)生連續(xù)光譜。

不論是氣體、液體或固體，在壓強(qiáng)很大、密度很高時(shí)，分子間距小（約為r0=10-10 m），原子緊緊地“擠”在一起，鄰近原子間相互影響的作用很強(qiáng)。這些原子中的外層電子除受本身原子核的作用外，還受鄰近原子的作用，電子云相互重疊（如圖1所示）。在這種情況下，這些電子可以從一個(gè)原子轉(zhuǎn)移到相鄰的原子，它們的躍遷也不再局限于只在原子本身內(nèi)部的躍遷，它們被共有。導(dǎo)致能級(jí)分裂，派生出許多新能級(jí)。這些能級(jí)非常接近，而且原子數(shù)目很大，能級(jí)越密，幾近連續(xù)，為一個(gè)原子的電子躍遷到另一原子的能級(jí)上提供了方便，從而存在著很多躍遷的可能性，使可見(jiàn)光譜內(nèi)的任何頻率的光子都具有很好的產(chǎn)生機(jī)會(huì)，從而使譜線展寬，最后可能變成連譜光譜；或因譜線間隔很小，低分辨率的光譜儀無(wú)法分辨，形成連續(xù)光譜。

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圖1 電子云相互重疊

同樣根據(jù)量子理論，原子有一系列分立的能級(jí)，電子從高激發(fā)態(tài)躍遷到能量較低的激發(fā)態(tài)或基態(tài)時(shí)就發(fā)出一定頻率的光。若（下轉(zhuǎn)第39頁(yè)）（上接第36頁(yè)）E2>E1，發(fā)光頻率ν=■。由于原子能級(jí)不連續(xù)，因此，發(fā)出的光就形成由一些不連續(xù)的亮線組成的光譜，這就是明線光譜。

若原子間距較大，如稀薄氣體或金屬蒸氣，相鄰原子間的作用力非常小，可以忽略不計(jì)，原子處于游離狀態(tài)。在這種情況下，原子基本上是獨(dú)立和自由的，原子核外的電子躍遷不受其他原子的影響。因而，發(fā)光時(shí)其能級(jí)離散自然顯露出來(lái)了，而光的頻率是由原子能級(jí)來(lái)決定的，能級(jí)不連續(xù)決定光譜不連續(xù)，故原子此時(shí)產(chǎn)生的是明線光譜。通過(guò)學(xué)習(xí)課本我們知道，不同的原子能級(jí)不同，任兩個(gè)原子間的能級(jí)差不同，故不同原子發(fā)出光的頻率不同，每種原子都發(fā)出與自身能級(jí)相關(guān)的光譜，故明線光譜又叫原子的特征光譜。所以，分析物質(zhì)成分可以借用明線光譜。

總之，原子發(fā)連續(xù)光譜還是發(fā)明線光譜，取決于原子間距，也就是取決于原子所處的狀態(tài)。當(dāng)原子間距小時(shí)，原子受相鄰其他原子的影響，派生出更多的能級(jí)，產(chǎn)生的光的頻率幾近連續(xù)。故原來(lái)課本上說(shuō)：熾熱的固體、液體、高壓氣體產(chǎn)生的是連續(xù)光譜。而原子間距較大時(shí)，原子處于“孤立”或游離狀態(tài)，原子躍遷時(shí)不受其他原子的影響，只發(fā)與本原子能級(jí)差對(duì)應(yīng)的幾種頻率的光。所以，原來(lái)課本上這樣說(shuō)：稀薄氣體或金屬蒸汽產(chǎn)生的是明線光譜。

參考文獻(xiàn)：

[1]褚圣麟.原子物理學(xué)[M].北京：高等教育出版社，1979.

[2]課程教材研究所.物理3-5教師教學(xué)用書(shū)[M].北京：人民教育出版社，2009.（欄目編輯 羅琬華）