氫原子光譜探究

摘 要：隨著科技的不斷發(fā)展與進(jìn)步，現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展逐漸向兩個(gè)相反的極端蔓延，即以光年為單位的宇宙量級(jí)和以構(gòu)成物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)。高中物理中關(guān)于原子與原子核的知識(shí)只做了初步介紹。本文通過(guò)對(duì)氫原子這一最簡(jiǎn)單的原子光譜的探究，簡(jiǎn)要介紹了氫原子光譜的產(chǎn)生和分類，加深了對(duì)于原子分子概念的理解。

關(guān)鍵詞：氫原子光譜；能級(jí)；巴耳末系

氫原子作為結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的原子，是人們探索和研究原子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，通過(guò)探究氫原子的能級(jí)結(jié)構(gòu)，人們獲得了對(duì)原子與分子物理學(xué)、天體物理學(xué)等領(lǐng)域的重要啟示。也成為認(rèn)識(shí)和了解原子世界的開端。

一、光譜

通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)原子在不同能級(jí)間躍遷時(shí)，可以輻射出不同頻率的光子，正因如此光譜分析至今仍是比較簡(jiǎn)單和直接的對(duì)原子能級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行探究的手段。光譜是將不同頻率的光按其頻率的高低依次排序的一種圖案。一束復(fù)色光經(jīng)分色元件分光后將含有多個(gè)不同頻率光，將這些不同頻率的光按順序排列后的圖案叫做這束光的光譜。因?yàn)樵谠印⒎肿拥母黝惢顒?dòng)過(guò)程中，電子會(huì)因?yàn)槠溥\(yùn)動(dòng)而輻射出光波，又因?yàn)椴煌奈镔|(zhì)其組成原子中電子的運(yùn)動(dòng)也各不相同的，所以他們輻射的光波也各具特點(diǎn)。所以對(duì)于物質(zhì)的光譜的測(cè)量和分析是一種直接有效的研究物質(zhì)原子結(jié)構(gòu)的手段。

二、氫原子光譜

在所有的物質(zhì)當(dāng)中，氫原子只有一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)電子，結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單。對(duì)于氫原子結(jié)構(gòu)的研究，對(duì)其他復(fù)雜的原子甚或是較大的分子都有著非常重要的參考意義。最早氫原子光譜是人們通過(guò)氫氣放電管獲得的，氫原子光譜的出現(xiàn)直接揭開了人們對(duì)于原子結(jié)構(gòu)和原子理論認(rèn)識(shí)的大門。因?yàn)榘凑諅鹘y(tǒng)經(jīng)典電子理論的認(rèn)識(shí)，氫原子的光譜應(yīng)該是一條連續(xù)譜帶。因?yàn)楫?dāng)時(shí)普遍認(rèn)為氫原子外的電子繞核做圓周運(yùn)動(dòng)，由于持續(xù)的向外輻射電磁波，由能量守恒可知電子的能量逐漸減小，所以圓周運(yùn)動(dòng)的半徑也將持續(xù)減小，因而輻射光譜應(yīng)該是連續(xù)的。但實(shí)際測(cè)量得到的氫原子光譜與傳統(tǒng)理論的預(yù)測(cè)大相徑庭，如下圖所示：

由上圖可以看到，實(shí)際上的氫原子光譜是一條線狀光譜。每條譜線都有一定的位置而且并不連續(xù)，這就說(shuō)明氫原子輻射的光其實(shí)是幾種特定波長(zhǎng)的光。對(duì)于產(chǎn)生上述光譜的原因，直到1913年，波爾提出的一系列軌道量子化的解釋，才真正有了定論，這一系列理論現(xiàn)在被稱為波爾理論。

通過(guò)進(jìn)一步對(duì)氫原子光譜圖的分析，會(huì)發(fā)現(xiàn)圖中存在幾個(gè)小的連續(xù)區(qū)域的。其原因在于原子可以處于一系列分立的狀態(tài)。根據(jù)發(fā)現(xiàn)這一線系的科學(xué)家的名字，現(xiàn)代將上圖中以黃色表示的線系稱為賴曼系（Lyman series），黑色表示的線系是巴耳末系（Blmer series），紅色區(qū)域?yàn)榕列舷担≒aschen series），藍(lán)紫色表示的區(qū)域叫做布拉開系（Brackett series），綠色部分表示的是芬德系（Pfund series），最后的一部分淺藍(lán)色的區(qū)域稱為漢弗萊系（Humphreys series）。每一個(gè)線系的命名都代表著一個(gè)科學(xué)家的不朽成就。

三、巴耳末系初識(shí)

巴爾末系的特殊之處在于其有四條譜線處于可見光（波長(zhǎng)在380nm到760nm）范圍，所以這是人們發(fā)現(xiàn)和研究的最早的部分氫原子光譜譜線。而巴爾末率先分析并得出了這一線系的波長(zhǎng)通項(xiàng)公式：

此時(shí)，稱這一通項(xiàng)公式為里德伯公式，其中當(dāng)m=1時(shí)，是賴曼系，這一部分譜線主要位于紫外區(qū)（10nm-380nm）；當(dāng)m=2時(shí)，是巴耳末系，此部分光譜線主要處于可見光區(qū)（380nm-760nm）；當(dāng)m=3時(shí)，是帕邢系，此部分光譜主要處于紅外區(qū)（760nm-1μm）；當(dāng)m=4時(shí)，是布拉開系，此部分光譜主要處于近紅外區(qū)（1μm-3μm）；當(dāng)m=5時(shí)，是芬德系，此部分光譜主要處于遠(yuǎn)紅外區(qū)（40μm-1000μm）；當(dāng)m=6時(shí)，是漢弗萊系，此部分光譜主要處于遠(yuǎn)紅外區(qū)（>1000μm）。

可見，巴爾末系對(duì)于氫原子光譜研究的重要意義。不難看出其實(shí)每一個(gè)線系所表示的都是從不同的初始能級(jí)向一個(gè)相同的能級(jí)躍遷而產(chǎn)生的光譜。

我們一般把初始能級(jí)的主量子數(shù)記為n，躍遷后到達(dá)的能級(jí)量子數(shù)記為m，則巴爾末系譜線表示的其實(shí)是m=2時(shí)，n=3、4、5、6、7…這些能級(jí)間的躍遷，如下圖列舉了巴耳末系和賴曼系的躍遷圖示。

四、總結(jié)與展望

對(duì)于氫原子光譜的分析和研究，是科學(xué)家們所進(jìn)行的最早的光譜分析實(shí)驗(yàn)。它為之后人們對(duì)于建立原子模型理論和進(jìn)一步研究類氫原子信息奠定了重要基礎(chǔ)。如在化學(xué)領(lǐng)域內(nèi)我們所熟悉的重要堿金屬鋰、鈉、鉀、銣、銫等只有一個(gè)價(jià)電子的結(jié)構(gòu)，其特性與氫原子基本相同。另一方面，氫原子作為宇宙中重要的組成元素之一，氫原子光譜的研究可以應(yīng)用于大型天體的測(cè)量，是我們不必只能通過(guò)發(fā)射探測(cè)器的方式研究遙遠(yuǎn)天體，大大擴(kuò)展了我們探索宇宙的視野。所以，氫原子雖小，但其意義卻不容忽視。

參考文獻(xiàn)：

[1] 原子物理.高等教育出版社.

作者簡(jiǎn)介：王奎太（1999-），男，漢族，河北邢臺(tái)人。