对《原子结构》中一个常见问题的浅析

梁汉儒

摘 要：与以往教材相比，由于现行《氢原子光谱》这节删去了一部分内容，学生和部分教师对于“物质为何有时产生的是连续光谱，有时产生的却是明线光谱”这一问题存在知识上的不足，或知识不系统等。本文从原子间距入手，结合量子理论对该问题进行阐述。由于本文主要结合高中课本内容，起点较低，从而易于理解。

关键词：氢原子光谱；量子理论；分子间距；连续光谱；明线光谱；能级；跃迁

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2015）5-0036-2

普通高中课程标准实验教科书《物理》（人教版）选修3-5，第十八章《原子结构》的《氢原子光谱》这节内容，与以往教材相比，变化较大。新课改可能从减轻学生负担方面考虑，删去了发射光谱、吸收光谱的概念和产生条件，光谱分析的内容也删去。这部分内容难度上虽然降下来了，但学生对这部分的兴趣与疑问并没降低，如连续光谱与明线光谱是如何产生的？物质为何有时产生的是连续光谱有时产生的却是明线光谱？对于前一问题在课改前从课本上就可以解决，而对于后一问题现行课本没涉及，阅读材料上也未解释。并且一些教师在后一问题上还存在知识上的不足，或知识不系统等等。鉴于以上原因，笔者就这些问题做一粗浅的分析，力求把问题简单化，不当之处敬请批评指正。

当物体从外界获得能量后，只要不发生化学变化，它总要回复到原来的平衡状态。在这个过程中，一部分多余的能量通过光或热的形式释放出来。如果这部分能量是以可见光或近可见光的电磁波形式发射出来，就称这种现象为发光。而物体中光的发射，也总是伴随着处于高能态的电子向低能态的跃迁。根据量子理论，原子在两个能级E1和E2间跃迁时，产生的光子的频率为ν=■，如果E1和E2中任何一个（或二者）的数值可连续变化，则ν的数值也将连续变化，这就会产生连续光谱。

不论是气体、液体或固体，在压强很大、密度很高时，分子间距小（约为r0=10-10 m），原子紧紧地“挤”在一起，邻近原子间相互影响的作用很强。这些原子中的外层电子除受本身原子核的作用外，还受邻近原子的作用，电子云相互重叠（如图1所示）。在这种情况下，这些电子可以从一个原子转移到相邻的原子，它们的跃迁也不再局限于只在原子本身内部的跃迁，它们被共有。导致能级分裂，派生出许多新能级。这些能级非常接近，而且原子数目很大，能级越密，几近连续，为一个原子的电子跃迁到另一原子的能级上提供了方便，从而存在着很多跃迁的可能性，使可见光谱内的任何频率的光子都具有很好的产生机会，从而使谱线展宽，最后可能变成连谱光谱；或因谱线间隔很小，低分辨率的光谱仪无法分辨，形成连续光谱。

■

图1 电子云相互重叠

同样根据量子理论，原子有一系列分立的能级，电子从高激发态跃迁到能量较低的激发态或基态时就发出一定频率的光。若（下转第39页）（上接第36页）E2>E1，发光频率ν=■。由于原子能级不连续，因此，发出的光就形成由一些不连续的亮线组成的光谱，这就是明线光谱。

若原子间距较大，如稀薄气体或金属蒸气，相邻原子间的作用力非常小，可以忽略不计，原子处于游离状态。在这种情况下，原子基本上是独立和自由的，原子核外的电子跃迁不受其他原子的影响。因而，发光时其能级离散自然显露出来了，而光的频率是由原子能级来决定的，能级不连续决定光谱不连续，故原子此时产生的是明线光谱。通过学习课本我们知道，不同的原子能级不同，任两个原子间的能级差不同，故不同原子发出光的频率不同，每种原子都发出与自身能级相关的光谱，故明线光谱又叫原子的特征光谱。所以，分析物质成分可以借用明线光谱。

总之，原子发连续光谱还是发明线光谱，取决于原子间距，也就是取决于原子所处的状态。当原子间距小时，原子受相邻其他原子的影响，派生出更多的能级，产生的光的频率几近连续。故原来课本上说：炽热的固体、液体、高压气体产生的是连续光谱。而原子间距较大时，原子处于“孤立”或游离状态，原子跃迁时不受其他原子的影响，只发与本原子能级差对应的几种频率的光。所以，原来课本上这样说：稀薄气体或金属蒸汽产生的是明线光谱。

参考文献：

[1]褚圣麟.原子物理学[M].北京：高等教育出版社，1979.

[2]课程教材研究所.物理3-5教师教学用书[M].北京：人民教育出版社，2009.（栏目编辑 罗琬华）