| 词条 | 氢原子光谱 |
| 释义 | 氢原子光谱（Hydrogen spectral series ），指的是氢原子内之电子在不同能阶跃迁时所发射或吸收不同波长、能量之光子而得到的光谱。氢原子光谱为不连续的线光谱，自无线电波、微波、红外光、可见光、到紫外光区段都有可能有其谱线。 历史1885年，瑞士数学教师约翰·雅各布·巴尔末（J.J.Balmer）发现氢原子可见光波段的光谱，并给出经验公式。 1908年，德国物理学家弗里德里希·帕邢（Friedrich Paschen）发现了氢原子光谱的帕邢系。1914年，莱曼系被发现物理学家西奥多·莱曼（Theodore Lyman）发现； 1922年，弗雷德里克·萨姆那·布拉克（ Frederick Sumner Brackett）发现布拉克线系，位于红外光波段。 1924年，物理学家奥古斯特·赫尔曼·蒲芬德（ August Herman Pfund）发现氢原子光谱的蒲芬德线系。 1953年，科斯蒂·汉弗莱（Curtis J. Humphreys）发现氢原子光谱的汉弗莱线系。 解析玻尔的原子理论是建立在三个基本假设的基础上： （1）原子系统只能具有一系列的不连续的能量状态，在这些状态中，电子虽然作加速运动但不辐射电磁能量。这些状态叫做原子的定态，相应的能量分别为E1，E2，E3……（E1<E2<E3……）这就是所谓的定态假设。 （2）当原子从一个具有较大能量E2的定态跃迁到另一个能量较低的定态E1时，它辐射出具有一定频率的光子，光子的能量为 这一假设确定了原子发光的频率——它就是频率假设。 （3）原子的不同能量状态和电子沿不同的圆形轨道绕核运动相对应，电子的可能轨道的分布也是不连续的，只有当轨道的半径r与电子的动量P的乘积（即为动量矩）等于h/2π的整数倍，轨道才是可能的。即（图1） 根据玻尔的第二个假设，原子系统中电子从较高能级Wn，跃迁到较低能级Wk时，发出单色光，其频率为（图2）两谱系。这些谱系，的确都在氢原子光谱中观察到，而且有些还是在玻尔理论发表以后先从理论上计算出来，然后才通过实验找到的。在k=1时所表示的谱系在光谱的远紫外部分，称为赖曼系。k=3所表示的谱系在红外部分，称为帕邢系。k=4和k=5所表示的谱系也都在红外范围，分别称为布喇开系和普芳德系。在某一瞬时，一个氢原子只能发射一个一定频率的光子，这一频率相应于一条谱线，不同的受激氢原子才能发射不同的谱线。实验中观察到的是大量不同受激状态的原子所发射光的组合，所以能观察到大量的谱线。 分类1. 连续光谱 （ continuous spectrum ） 一束白光通过三棱镜折射后，可以分解成赤橙黄绿蓝靛紫等不同波长的光谱，称之为连续光谱。例如：自然界中，雨后天空的彩虹是连续光谱。 2. 线状光谱 （ 原子光谱 ）（ line spectrum ） 以火焰、电弧、电火花等方法灼烧化合物时，化合物发出不同频率的光线，光线通过三棱镜折射，由于折射率不同，再屏幕上得到一系列不连续的谱线，称之为线状光谱。 3. 氢原子光谱（原子发射光谱） 在真空管中充入少量 H2 （g），通过高压放电，氢气可以产生可见光、紫外光和红外光，这些光经过三棱镜分成一系列按波长大小排列的线状光谱。 紫外光和可见光 → 三棱镜 → 不连续的线状光谱 此外，除氢原子外，其他原子也可以产生特征的发射谱线，我们可以利用原子的特征谱线来鉴定原子的存在。 系列简介氢原子由一个质子及一个电子构成，是最简单的原子，因此其光谱一直是了解物质结构理论的主要基础。研究其光谱，可借由外界提供其能量，使其电子跃至高能阶后，在跳回低能阶的同时，会放出能量等同两高低阶间能量差的光子，再以光栅、棱镜或干涉仪分析其光子能量、强度，就可以得到其发射光谱。亦或以一已知能量、强度之光源，照射氢原子，则等同其能阶能量差的光子会被氢原子吸收，因而在该能量形成暗线。另一个方法则是分析来自外太空的要取得纯粹氢原子的光谱也非十分容易，主要是因为氢在大自然中倾向以双原子分子存在，但科学家仍能借由气体放电管使其分解成单一原子。依其发现之科学家及谱线所在之能量区段可将其划分为莱曼线系、巴耳默线系、帕邢线系、布拉克线系、蒲芬德线系、汉弗莱线系系列。 莱曼线系莱曼线系位于紫外光波段。 n 2 3 4 5 6 ∞ λ (nm) 122 103 97.2 94.9 93.7 91.1 巴耳默线系巴尔默线系位于可见光段 n 3 4 5 6 7 ∞ λ (nm) 656 486 434 410 397 365 帕邢线系帕邢线系位于红外光波段的谱线。 n 4 5 6 7 8 ∞ λ (nm) 1870 1280 1090 1000 954 820 布拉克线系布拉克线系位于红外光波段。 n 5 6 7 8 9 ∞ λ (nm) 4050 2630 2170 1940 1820 1460 蒲芬德线系蒲芬德线系位于红外光波段 n 6 7 8 9 10 ∞ λ (nm) 7460 4650 3740 3300 3040 2280 汉弗莱线系n 7 8 9 10 11 ∞ λ (nm) 12400 7500 5910 5130 4670 3280 实验规律许多情况下光是由原子内部电子的运动产生的，因此光谱研究是探索原子结构的重要途径之一。从氢气放电管可以获得氢原子光谱。1885年巴尔末对当时已知的、在可见光区的14条谱线作了分析，发现这些谱线的波长可以用一个公式来表示，公式称为巴尔末公式，它确定的这一组谱线称为巴尔末系。可以看出，n只能取整数，不能连续取值，波长也只会是分立的值。 除了巴末尔系，后来发现的氢光谱在红外和紫外光区的其他谱线也都满足与巴末尔公式类似的关系式。 经典理论卢瑟福的核式结构模型正确地指出了原子核的存在，很好地解释了α粒子散射实验。但是经典物理学家既无法解释原子的稳定性，又无法解释原子光谱的分立特征。 ①原子是不稳定的与稳定性的矛盾 按照经典物理学，核外电子受到原子的库仑引力的作用，不可能是静止的，它一定是以一定的速度绕核转动。既然电子在运动，它的电磁场就在变化，而变化的电磁场会激发电磁波。也就是说，它将把自己绕核转动的能量以电磁波的形式辐射出去。因此，电子绕核转动这个系统是不稳定的，电子会失去能量，最后一头栽在原子核上。但是事实不是这样，原子是个很稳定的系统。 ②连续光谱与明线光谱的矛盾 根据经典电磁理论，电子辐射的电磁波的频率，就是它绕核转动的频率。电子越转能量越小，它离原子核就越来越近，转的也就越来越快。这个变化是连续的，也就是说，我们应该看到原子辐射的各种频率（波长）的光，即原子的光谱应该总是连续的。而实际上我们看到的是分立的线状谱。 这些矛盾说明，尽管经典物理学理论可以很好地应用于宏观物体，但它不能用于解释原子世界的现象，引入新观念是必要的。 |
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