氢原子光谱探究

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。

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、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究物质原子结构的手段。

二、氢原子光谱

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。但实际测量得到的氢原子光谱与传统理论的预测大相径庭，如下图所示：

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尔理论。

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（Lyman series），黑色表示的线系是巴耳末系（Blmer series），红色区域为帕邢系（Paschen series），蓝紫色表示的区域叫做布拉开系（Brackett series），绿色部分表示的是芬德系（Pfund series），最后的一部分浅蓝色的区域称为汉弗莱系（Humphreys series）。每一个线系的命名都代表着一个科学家的不朽成就。

三、巴耳末系初识

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到760nm）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线。而巴尔末率先分析并得出了这一线系的波长通项公式：

此时，称这一通项公式为里德伯公式，其中当m=1时，是赖曼系，这一部分谱线主要位于紫外区（10nm-380nm）；当m=2时，是巴耳末系，此部分光谱线主要处于可见光区（380nm-760nm）；当m=3時，是帕邢系，此部分光谱主要处于红外区（760nm-1μm）；当m=4时，是布拉开系，此部分光谱主要处于近红外区（1μm-3μm）；当m=5时，是芬德系，此部分光谱主要处于远红外区（40μm-1000μm）；当m=6时，是汉弗莱系，此部分光谱主要处于远红外区（>1000μm）。

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生的光谱。

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记为m，则巴尔末系谱线表示的其实是m=2时，n=3、4、5、6、7…这些能级间的跃迁，如下图列举了巴耳末系和赖曼系的跃迁图示。

四、总结与展望

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、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，但其意义却不容忽视。

参考文献：

[1] 原子物理.高等教育出版社.

作者简介：王奎太（1999-），男，汉族，河北邢台人。