氫原子光譜

氫原子光譜指的是氫原子內之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。根據電子躍遷的後所處的能階，可將光譜分為不同的線系。理論上有無窮個線系，前6個常用線系以發現者的名字命名。

六個線系[編輯]

氫原子（ $^{1}H$ ）由一個質子及一個電子構成，是最簡單的原子，因此其光譜一直是了解物質結構理論的主要基礎。研究其光譜，可藉由外界提供其能量，使其電子躍至高能階後，在跳回低能階的同時，會放出能量等同兩高低階間能量差的光子，再以光柵、稜鏡或干涉儀分析其光子能量、強度，就可以得到其發射光譜。亦或以一已知能量、強度之光源，照射氫原子，則等同其能階能量差的光子會被氫原子吸收，因而在該能量形成暗線。另一個方法則是分析來自外太空的氫原子，要取得純粹氫原子的光譜也非十分容易，主要是因為氫在大自然中傾向以雙原子分子存在，但科學家仍能藉由陰極射線管使其分解成單一原子。

依其發現之科學家及譜線所在之能量區段可將其劃分為以下系列，系列中各譜線則用α、β等希臘字母來命名：

萊曼系列[編輯]

主量子數n大於或等於2的電子躍遷到n = 1的能階，產生的一系列光譜線稱為「萊曼系列」。此系列譜線能量位於紫外光波段。

巴耳末系列[編輯]

主量子數n大於或等於3的電子躍遷到n = 2的能階，產生的一系列光譜線稱為「巴耳末系」。巴耳末系有四條譜線處於可見光波段，所以是最早被發現的線系。

1885年，巴耳末（J.J. Balmer，瑞士，1825-1898）將位於可見光波段，能量位於410.12奈米、434.01奈米、486.07奈米、656.21奈米等譜線，以下列經驗公式表示： $\lambda _{m}=365.46m^{2}/(m^{2}-4)$ ，m = 3、4、5、6...，此方程式稱為巴耳末公式。

帕申系列[編輯]

主量子數n大於或等於4的電子躍遷到n = 3的能階，產生的一系列光譜線稱為「帕申系列」，由帕申於1908年發現，位於紅外光波段。

布拉格系列[編輯]

主量子數n大於或等於5的電子躍遷到n = 4的能階，產生的一系列光譜線稱為「布拉格系列」，由弗雷德里克·布拉格於1922年發現，位於紅外光波段。

蒲芬德系列[編輯]

主量子數n大於或等於6的電子躍遷到n = 5的能階，產生的一系列光譜線稱為「蒲芬德系列」，由蒲芬德於1924年發現，位於紅外光波段。

韓福瑞系[編輯]

主量子數n大於或等於7的電子躍遷到n = 6的能階，產生的一系列光譜線稱為「韓福瑞系列」，由韓福瑞於1953年發現，位於紅外光波段。

芮得柏公式[編輯]

1889年瑞典物理學家約翰內斯·芮得柏（Johannes Robert Rydberg）將上述各系列譜線歸納出氫原子譜線的經驗公式：

{\frac {1}{\lambda }}=R({\frac {1}{n^{2}}}-{\frac {1}{n'^{2}}})\qquad n=1,2,3\cdots \quad n'=n+1,n+2,n+3\cdots

參閱[編輯]