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【有問有答】為什麼從光譜就可以「看」出原子種類?

2019-05-15
■元素的光譜特徵。 作者供圖■元素的光譜特徵。 作者供圖

不同原子的定態能量不同,發出的光譜各不相同,具有自己的特徵譜線。

在陽光照射下,肥皂泡上會出現斑斕的顏色。為什麼光有這麼多不同的顏色呢?為了研究這個問題,1666 年牛頓讓太陽光通過三稜鏡,發現陽光被分解為七色光帶。牛頓稱之為光譜。

1853 年,德國科學家羅伯特.本生和古斯塔夫.基爾霍夫又發現,被火焰灼燒時,金屬及其鹽類能產生明亮火焰,其中包含獨特的譜線。這就像人的指紋,每個人的指紋都不相同,利用這種方法可以鑒別各種金屬。基爾霍夫用這種方法發現太陽表面存在氫、鈉、鐵、鈣、鎳等元素。這是人類第一次從地球上直接測出太陽中的元素種類。1868 年,法國和英國天文學家發現太陽光譜中有一種從未見過的明亮的黃線,不同於之前任何熟悉的元素,從而證明太陽上存在茪@種新元素-氦,後來人們在地球上也發現了它。那麼,為什麼不同的元素能產生不同的譜線呢?這個問題在很長時間裡沒能解決。

到19世紀末,光譜學的實驗研究已積累了大量實驗數據,人們逐漸找到了一些經驗公式來統一表述眾多複雜的光譜。1855年,瑞士中學教師巴耳末發現了氫原子光譜的一項經驗公式。

1885 年,瑞典物理學家里德伯對這一公式進行了推廣,寫成了兩個整數的平方倒數之差乘以一個常數,這個形式雖然簡單,卻可以精確地描述氫原子譜線。為什麼原子的光譜有這樣簡單的規律?這些問題又困擾了物理界近30年。

1909 年,英國科學家盧瑟福發現了原子是由原子核和繞原子核高速轉動的電子組成。不過,按照電磁學理論,電子在轉運過程中會發出電磁輻射,能量很快會降低,在不到1納秒時間內電子就會掉進原子核,原子就崩潰了。但是,看看周圍的世界,億萬年前形成的高山和大地至今還穩定地存在,這表明,原子是穩定存在的。

為解決這一尖銳的矛盾,1913年,年輕的丹麥物理學家尼爾斯.玻爾創造性地發展了德國物理學家普朗克在 13 年前提出的量子觀點。

當時,普朗克為解決黑體輻射問題,提出一項革命性的觀點,認為物體發出的光輻射的能量是一份一份的量子,量子的能量大小取決於輻射的波長。這一觀點雖然能較好地解釋實驗數據,但被當時大多數物理學家所質疑。

玻爾在了解里德伯光譜公式之後,提出了比普朗克更加激進的主張。在他看來,宏觀世界中的規律未必能毫無保留地推廣到微觀世界。微觀世界裡,可以有全新的物理學。

在對大量實驗事實進行深入分析後,他提出氫原子中的電子繞原子核運動時,電子只能處於離原子核特定距離的軌道上,並且電子在這些軌道上繞核轉動時既不吸收能量,也不發生電磁輻射,這樣原子就會穩定存在,原子具有特定的能量,它所處的這種狀態叫作定態(定態假定);電子可以從一個定態軌道躍遷到另一個定態軌道,同時吸收或者放出光子,光的能量等於電子在不同軌道上的能量差(輻射條件)。《十萬個為甚麼(新視野版) 物理 II》■香港教育圖書公司

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