標籤:原子物理學

氫原子光譜(Hydrogen spectral series )指的是氫原子內的電子在不同能階躍遷時所發射或吸收不同波長、能量之光子而得到的光譜。氫原子光譜為不連續的線光譜,自無線電波、微波、紅外光、可見光、到紫外光區段都有可能有其譜線。

1歷史

18
玻爾模型描述的氫原子光譜

  玻爾模型描述的氫原子光譜

85年,瑞士數學教師約翰·雅各布·巴爾末(J.J.Balmer)發現氫原子可見光波段的光譜,並給出經驗公式。
1908年,德國物理學家弗里德里希·帕邢(Friedrich Paschen)發現了氫原子光譜的帕邢系。1914年,萊曼系被發現物理學家西奧多·萊曼(Theodore Lyman)發現;
1922年,弗雷德里克·薩姆那·布拉克(Frederick Sumner Brackett)發現布拉克線系,位於紅外光波段。
1924年,物理學家奧古斯特·赫爾曼·蒲芬德(August Herman Pfund)發現氫原子光譜的蒲芬德線系。
1953年,科斯蒂·漢弗萊(Curtis J. Humphreys)發現氫原子光譜的漢弗萊線系。

2解析

玻爾的原子理論是建立在三個基本假設的基礎上:
連續光譜(自然界)

  連續光譜(自然界)

(1)原子系統只能具有一系列的不連續的能量狀態,在這些狀態中,電子雖然做加速運動但不輻射電磁能量。這些狀態叫做原子的定態,相應的能量分別為E1,E2,E3……(E1<E2<E3……)這就是所謂的定態假設。
(2)當原子從一個具有較大能量E2的定態躍遷到另一個能量較低的定態E1時,它輻射出具有一定頻率的光子,光子的能量為
這一假設確定了原子發光的頻率——它就是頻率假設。
(3)原子的不同能量狀態和電子沿不同的圓形軌道繞核運動相對應,電子的可能軌道的分佈也是不連續的,只有當軌道的半徑r與電子的動量P的乘積(即為動量矩)等於h/2π的整數倍,軌道才是可能的。即(圖1)
根據玻爾的第二個假設,原子系統中電子從較高能級Wn,躍遷到較低能級Wk時,發出單色光,其頻率為(圖2)
圖1

  圖1

兩譜系。這些譜系,的確都在氫原子光譜中觀察到,而且有些還是在玻爾理論發表以後先從理論上計算出來,然後才通過實驗找到的。在k=1時所表示的譜系在光譜的遠紫外部分,稱為賴曼(T.Lyman)系。k=3所表示的譜系在紅外部分,稱為帕邢系(F.Parschen)。k=4和k=5所表示的譜系也都在紅外範圍,分別稱為布喇開系(F.S.Brackett)普馮特系(H.A.Pfund)。在某一瞬時,一個氫原子只能發射一個一定頻率的光子,這一頻率相應於一條譜線,不同的受激氫原子才能發射不同的譜線。實驗中觀察到的是大量不同受激狀態的原子所發射光的組合,所以能觀察到大量的譜線。
圖3

  圖3

圖2

  圖2

這些譜線的頻率ν可以用以下公式統一表述:(見圖6)
圖6

  圖6

式中R為里德堡常數,R=1.09677576*10^7 /m。其中,每個m值對應一個單獨的譜系,多個n值對應該譜系中的多條譜線。
例如,m=1屬於萊曼系,m=2屬於巴爾麥系,m=3屬於帕邢系。。。n=m+1,m+2,。。。
圖4

  圖4

圖5

  圖5

3分類

丹麥物理學家 N.Bohr

  丹麥物理學家 N.Bohr

1.連續光譜 ( continuous spectrum )
一束白光通過三稜鏡折射后,可以分解成赤橙黃綠藍靛紫等不同波長的光譜,稱之為連續光譜。例如:自然界中,雨後天空的彩虹是連續光譜。
2.線狀光譜 ( 原子光譜 )( line spectrum )
以火焰、電弧、電火花等方法灼燒化合物時,化合物發出不同頻率的光線,光線通過三稜鏡折射,由於折射率不同,再屏幕上得到一系列不連續的譜線,稱之為線狀光譜。
3.氫原子光譜(原子發射光譜)
在真空管中充入少量 H2 (g),通過高壓放電,氫氣可以產生可見光、紫外光和紅外光,這些光經過三稜鏡分成一系列按波長大小排列的線狀光譜。
電磁波連續光譜

  電磁波連續光譜

紫外光和可見光 → 三稜鏡 → 不連續的線狀光譜
此外,除氫原子外,其他原子也可以產生特徵的發射譜線,我們可以利用原子的特徵譜線來鑒定原子的存在。

4系列

萊曼線系
萊曼線系位於紫外光波段。
n
2
3
4
5
6
λ (nm)
122
103
97.2
94.9
93.7
91.1
帕邢線系
帕邢線系位於紅外光波段的譜線。
n
4
5
6
7
8
λ (nm)
1870
1280
1090
1000
954
820
蒲芬德線系
蒲芬德線系位於紅外光波段
n
6
7
8
9
10
λ (nm)
7460
4650
3740
3300
3040
2280

漢弗萊線系

n
7
8
9
10
11
λ (nm)
12400
7500
5910
5130
4670
3280

5實驗規律

連續光譜和原子發射光譜( 線狀光譜)比較

  連續光譜和原子發射光譜( 線狀光譜)比較

許多情況下光是由原子內部電子的運動產生的,因此光譜研究是探索原子結構的重要途徑之一。從氫氣放電管可以獲得氫原子光譜。1885年巴爾末對當時已知的、在可見光區的14條譜線作了分析,發現這些譜線的波長可以用一個公式來表示,公式稱為巴爾末公式,它確定的這一組譜線稱為巴爾末系。可以看出,n只能取整數,不能連續取值,波長也只會是分立的值。
除了巴末爾系,後來發現的氫光譜在紅外和紫外光區的其他譜線也都滿足與巴末爾公式類似的關係式。

6經典理論

氫光譜儀及氫原子可見光光譜圖

  氫光譜儀及氫原子可見光光譜圖

盧瑟福的核式結構模型正確地指出了原子核的存在,很好地解釋了α粒子散射實驗。但是經典物理學家既無法解釋原子的穩定性,又無法解釋原子光譜的分立特徵。
①原子是不穩定的與穩定性的矛盾
按照經典物理學,核外電子受到原子的庫侖引力的作用,不可能是靜止的,它一定是以一定的速度繞核轉動。既然電子在運動,它的電磁場就在變化,而變化的電磁場會激發
氫氣高壓放電產生的連續光譜(實驗室)

  氫氣高壓放電產生的連續光譜(實驗室)

電磁波。也就是說,它將把自己繞核轉動的能量以電磁波的形式輻射出去。因此,電子繞核轉動這個系統是不穩定的,電子會失去能量,最後一頭栽在原子核上。但是事實不是這樣,原子是個很穩定的系統。
②連續光譜與明線光譜的矛盾
根據經典電磁理論,電子輻射的電磁波的頻率,就是它繞核轉動的頻率。電子越轉能量越小,它離原子核就越來越近,轉的也就越來越快。這個變化是連續的,也就是說,我們應該看到原子輻射的各種頻
紅外區、可見區、紫外區的線狀光譜圖

  紅外區、可見區、紫外區的線狀光譜圖

率(波長)的光,即原子的光譜應該總是連續的。而實際上我們看到的是分立的線狀譜。
這些矛盾說明,儘管經典物理學理論可以很好地應用於宏觀物體,但它不能用於解釋原子世界的現象,引入新觀念是必要的。

相關評論

同義詞:暫無同義詞