氫原子光譜探究

摘 要：隨著科技的不斷發展與進步，現代物理學的發展逐漸向兩個相反的極端蔓延，即以光年為單位的宇宙量級和以構成物質的原子結構。高中物理中關于原子與原子核的知識只做了初步介紹。本文通過對氫原子這一最簡單的原子光譜的探究，簡要介紹了氫原子光譜的產生和分類，加深了對于原子分子概念的理解。

關鍵詞：氫原子光譜；能級；巴耳末系

氫原子作為結構最簡單的原子，是人們探索和研究原子結構的基礎，通過探究氫原子的能級結構，人們獲得了對原子與分子物理學、天體物理學等領域的重要啟示。也成為認識和了解原子世界的開端。

一、光譜

通過研究發現原子在不同能級間躍遷時，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單和直接的對原子能級結構進行探究的手段。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。一束復色光經分色元件分光后將含有多個不同頻率光，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。因為在原子、分子的各類活動過程中，電子會因為其運動而輻射出光波，又因為不同的物質其組成原子中電子的運動也各不相同的，所以他們輻射的光波也各具特點。所以對于物質的光譜的測量和分析是一種直接有效的研究物質原子結構的手段。

二、氫原子光譜

在所有的物質當中，氫原子只有一個質子和一個電子，結構最為簡單。對于氫原子結構的研究，對其他復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氫氣放電管獲得的，氫原子光譜的出現直接揭開了人們對于原子結構和原子理論認識的大門。因為按照傳統經典電子理論的認識，氫原子的光譜應該是一條連續譜帶。因為當時普遍認為氫原子外的電子繞核做圓周運動，由于持續的向外輻射電磁波，由能量守恒可知電子的能量逐漸減小，所以圓周運動的半徑也將持續減小，因而輻射光譜應該是連續的。但實際測量得到的氫原子光譜與傳統理論的預測大相徑庭，如下圖所示：

由上圖可以看到，實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，這就說明氫原子輻射的光其實是幾種特定波長的光。對于產生上述光譜的原因，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，這一系列理論現在被稱為波爾理論。

通過進一步對氫原子光譜圖的分析，會發現圖中存在幾個小的連續區域的。其原因在于原子可以處于一系列分立的狀態。根據發現這一線系的科學家的名字，現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），紅色區域為帕邢系（Paschen series），藍紫色表示的區域叫做布拉開系（Brackett series），綠色部分表示的是芬德系（Pfund series），最后的一部分淺藍色的區域稱為漢弗萊系（Humphreys series）。每一個線系的命名都代表著一個科學家的不朽成就。

三、巴耳末系初識

巴爾末系的特殊之處在于其有四條譜線處于可見光（波長在380nm到760nm）范圍，所以這是人們發現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通項公式：

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

可見，巴爾末系對于氫原子光譜研究的重要意義。不難看出其實每一個線系所表示的都是從不同的初始能級向一個相同的能級躍遷而產生的光譜。

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

四、總結與展望

對于氫原子光譜的分析和研究，是科學家們所進行的最早的光譜分析實驗。它為之后人們對于建立原子模型理論和進一步研究類氫原子信息奠定了重要基礎。如在化學領域內我們所熟悉的重要堿金屬鋰、鈉、鉀、銣、銫等只有一個價電子的結構，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用于大型天體的測量，是我們不必只能通過發射探測器的方式研究遙遠天體，大大擴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：

[1] 原子物理.高等教育出版社.

作者簡介：王奎太（1999-），男，漢族，河北邢臺人。