對《原子結構》中一個常見問題的淺析

梁漢儒

摘 要：與以往教材相比，由于現行《氫原子光譜》這節刪去了一部分內容，學生和部分教師對于“物質為何有時產生的是連續光譜，有時產生的卻是明線光譜”這一問題存在知識上的不足，或知識不系統等。本文從原子間距入手，結合量子理論對該問題進行闡述。由于本文主要結合高中課本內容，起點較低，從而易于理解。

關鍵詞：氫原子光譜；量子理論；分子間距；連續光譜；明線光譜；能級；躍遷

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2015）5-0036-2

普通高中課程標準實驗教科書《物理》（人教版）選修3-5，第十八章《原子結構》的《氫原子光譜》這節內容，與以往教材相比，變化較大。新課改可能從減輕學生負擔方面考慮，刪去了發射光譜、吸收光譜的概念和產生條件，光譜分析的內容也刪去。這部分內容難度上雖然降下來了，但學生對這部分的興趣與疑問并沒降低，如連續光譜與明線光譜是如何產生的？物質為何有時產生的是連續光譜有時產生的卻是明線光譜？對于前一問題在課改前從課本上就可以解決，而對于后一問題現行課本沒涉及，閱讀材料上也未解釋。并且一些教師在后一問題上還存在知識上的不足，或知識不系統等等。鑒于以上原因，筆者就這些問題做一粗淺的分析，力求把問題簡單化，不當之處敬請批評指正。

當物體從外界獲得能量后，只要不發生化學變化，它總要回復到原來的平衡狀態。在這個過程中，一部分多余的能量通過光或熱的形式釋放出來。如果這部分能量是以可見光或近可見光的電磁波形式發射出來，就稱這種現象為發光。而物體中光的發射，也總是伴隨著處于高能態的電子向低能態的躍遷。根據量子理論，原子在兩個能級E1和E2間躍遷時，產生的光子的頻率為ν=■，如果E1和E2中任何一個（或二者）的數值可連續變化，則ν的數值也將連續變化，這就會產生連續光譜。

不論是氣體、液體或固體，在壓強很大、密度很高時，分子間距?。s為r0=10-10 m），原子緊緊地“擠”在一起，鄰近原子間相互影響的作用很強。這些原子中的外層電子除受本身原子核的作用外，還受鄰近原子的作用，電子云相互重疊（如圖1所示）。在這種情況下，這些電子可以從一個原子轉移到相鄰的原子，它們的躍遷也不再局限于只在原子本身內部的躍遷，它們被共有。導致能級分裂，派生出許多新能級。這些能級非常接近，而且原子數目很大，能級越密，幾近連續，為一個原子的電子躍遷到另一原子的能級上提供了方便，從而存在著很多躍遷的可能性，使可見光譜內的任何頻率的光子都具有很好的產生機會，從而使譜線展寬，最后可能變成連譜光譜；或因譜線間隔很小，低分辨率的光譜儀無法分辨，形成連續光譜。

■

圖1 電子云相互重疊

同樣根據量子理論，原子有一系列分立的能級，電子從高激發態躍遷到能量較低的激發態或基態時就發出一定頻率的光。若（下轉第39頁）（上接第36頁）E2>E1，發光頻率ν=■。由于原子能級不連續，因此，發出的光就形成由一些不連續的亮線組成的光譜，這就是明線光譜。

若原子間距較大，如稀薄氣體或金屬蒸氣，相鄰原子間的作用力非常小，可以忽略不計，原子處于游離狀態。在這種情況下，原子基本上是獨立和自由的，原子核外的電子躍遷不受其他原子的影響。因而，發光時其能級離散自然顯露出來了，而光的頻率是由原子能級來決定的，能級不連續決定光譜不連續，故原子此時產生的是明線光譜。通過學習課本我們知道，不同的原子能級不同，任兩個原子間的能級差不同，故不同原子發出光的頻率不同，每種原子都發出與自身能級相關的光譜，故明線光譜又叫原子的特征光譜。所以，分析物質成分可以借用明線光譜。

總之，原子發連續光譜還是發明線光譜，取決于原子間距，也就是取決于原子所處的狀態。當原子間距小時，原子受相鄰其他原子的影響，派生出更多的能級，產生的光的頻率幾近連續。故原來課本上說：熾熱的固體、液體、高壓氣體產生的是連續光譜。而原子間距較大時，原子處于“孤立”或游離狀態，原子躍遷時不受其他原子的影響，只發與本原子能級差對應的幾種頻率的光。所以，原來課本上這樣說：稀薄氣體或金屬蒸汽產生的是明線光譜。

參考文獻：

[1]褚圣麟.原子物理學[M].北京：高等教育出版社，1979.

[2]課程教材研究所.物理3-5教師教學用書[M].北京：人民教育出版社，2009.（欄目編輯 羅琬華）