科技风２０１７年１月上 科教论坛 潍 罐 。 ＤＯＩ：１０．１９３９２／ｊ．ｅｎｋｉ．１６７１－７３４１．２０１７０１０１３ 氢原子光谱探究 王奎太 衡水中学河北衡水０５３０００ 摘要：随着科技的不断发展与进步，现代物理学的发展逐渐向两个相反的极端蔓延，即以光年为单位的宇宙量级和以构成物质的原子结构。 高中物理中关于原子与原子核的知识只做了初步介绍。本文通过对氢原子这一最简单的原子光谱的探究，简要介绍了氢原子光谱的产生和分类，加 深了对于原子分子概念的理解。 关键词：氢原子光谱；能级；巴耳末系 氢原子作为结构最简单的原子，是人们探索和研究原子结构的基 到７６Ｏｈｍ）范围，所以这是人们发现和研究的最早的部分氢原子光谱谱 础，通过探究氢原子的能级结构，人们获得了对原子与分子物理学、天 线。而巴尔末率先分析并得出了这一线系的波长通项公式： 体物理学等领域的重要启示。也成为认识和了解原子世界的开端。 ． ＿＿１＝Ｒ‘ １一 ） 一、光谱 通过研究发现原子在不同能级间跃迁时，可以辐射出不同频率的 其中Ｒ＝Ｉ．０９６７７５８×１０７ｍ～，称为里德伯常数。巴尔末所推导的这个 光子，正因如此光谱分析至今仍是比较简单和直接的对原子能级结构 通项公式最大的意义在于，它可以推广为其他线系的波长通项公式，只 进行探究的手段。光谱是将不同频率的光按其频率的高低依次排序的 需将上式中的２ 变换为ｍ ，即： 一种图案。一束复色光经分色元件分光后将含有多个不同频率光，将这 些不同频率的光按顺序排列后的图案叫做这束光的光谱。因为在原子、 ｝ ＿＿１一 ） 分子的各类活动过程中，电子会因为其运动而辐射出光波，又因为不同 此时，称这一通项公式为里德伯公式，其中当ｒｎ＝ｌ时，是赖曼系，这 一的物质其组成原子中电子的运动也各不相同的，所以他们辐射的光波 部分谱线主要位于紫外区（１０ｎｍ一３８０ｎｍ）；当ｍ＝２时，是巴耳末系，此 也各具特点。所以对于物质的光谱的测量和分析是一种直接有效的研 部分光谱线主要处于可见光区（３８０ｎｍ一７６０ｎｍ）；当ｍ＝３时，是帕邢系， 究物质原子结构的手段。 此部分光谱主要处于红外区（７６ｏｎｍ—ｌｔｘｍ）；当ｍ＝４时，是布拉开系，此 二、氢原子光谱 部分光谱主要处于近红外区（１ｌｚｍ一３１ｘｍ）；当ｍ＝５时，是芬德系，此部分 在所有的物质当中，氢原子只有一个质子和一个电子，结构最为简 光谱主要处于远红外区（４Ｏ ｍ—ｌＯ００１￣ｍ）；当ｍ＝６时，是汉弗莱系，此部 单。对于氢原子结构的研究，对其他复杂的原子甚或是较大的分子都有 分光谱主要处于远红外区（＞ｌＯ００／ｘｍ）。 着非常重要的参考意义。最早氢原子光谱是人们通过氢气放电管获得 可见，巴尔末系对于氢原子光谱研究的重要意义。不难看出其实每 一的，氢原子光谱的出现直接揭开了人们对于原子结构和原子理论认识 个线系所表示的都是从不同的初始能级向一个相同的能级跃迁而产 的大门。因为按照传统经典电子理论的认识，氢原子的光谱应该是一条 生的光谱。 连续谱带。因为当时普遍认为氢原子外的电子绕核做圆周运动，由于持 我们一般把初始能级的主量子数记为ｎ，跃迁后到达的能级量子数 续的向外辐射电磁波，由能量守恒可知电子的能量逐渐减小，所以圆周 记为ｍ，则巴尔末系谱线表示的其实是／７／＇，＝２时，ｎ＝３、４，５、６，７…这些能 运动的半径也将持续减小，因而辐射光谱应该是连续的。但实际测量得 级间的跃迁，如下图列举了巴耳末系和赖曼系的跃迁图示。 到的氢原子光谱与传统理论的预测大相径庭，如下图所示： 撩攮 攀 卷 鬻 蕺 譬堍警《 由上图可以看到，实际上的氢原子光谱是一条线状光谱。每条谱线 都有一定的位置而且并不连续，这就说明氢原子辐射的光其实是几种 特定波长的光。对于产生上述光谱的原因，直到１９１３年，波尔提出的一 赖曼系和巴尔末系的跃迁图示 系列轨道量子化的解释，才真正有了定论，这一系列理论现在被称为波 四、总结与展望 ． 尔理论。 对于氢原子光谱的分析和研究，是科学家们所进行的最早的光谱 通过进一步对氢原子光谱图的分析，会发现图中存在几个小的连 分析实验。它为之后人们对于建立原子模型理论和进一步研究类氢原 续区域的。其原因在于原子可以处于一系列分立的状态。根据发现这一 子信息奠定了重要基础。如在化学领域内我们所熟悉的重要碱金属锂、 线系的科学家的名字，现代将上图中以黄色表示的线系称为赖曼系 钠、钾、铷、铯等只有一个价电子的结构，其特性与氢原子基本相同。另 （Ｌｙｍａｎ ｓｅｒｉｅｓ），黑色表示的线系是巴耳末系（Ｂｌｍｅｒ ｓｅｒｉｅｓ），红色区域为 一方面，氢原子作为宇宙中重要的组成元素之一，氢原子光谱的研究可 帕邢系（Ｐａｓｃｈｅｎ ｓｅｒｉｅｓ），蓝紫色表示的区域叫做布拉开系（Ｂｒａｃｋｅｔｔ ｓｅ— 以应用于大型天体的测量，是我们不必只能通过发射探测器的方式研 ｔｉｅｓ），绿色部分表示的是芬德系（Ｐｆｕｎｄ ｓｅｒｉｅｓ）．最后的一部分浅蓝色的 究遥远天体，大大扩展了我们探索宇宙的视野。所以，氢原子虽小，但其 区域称为汉弗莱系（Ｈｕｍｐｈｒｅｙｓ ｓｅｒｉｅｓ）。每一个线系的命名都代表着一 意义却不容忽视。 个科学家的不朽成就。 ． 参考文献： 三、巴耳末系初识 ｆ１】原子物理．高等教育出版社． 巴尔末系的特殊之处在于其有四条谱线处于可见光（波长在３８０ｎｍ 作者简介：王奎太（１９９９一），男，汉族，河北邢台人。 ｌ 聃