物理基础教案-氢光谱规律的发现.docVIP

图5.1 夫琅和费（左2）正在展示他的光谱仪 　　 19世纪中叶，人们认识到光来自原子内部，有一定规律，用棱镜或光栅可以把光的不同成分展现成光谱。不同物质的光谱有不同的特征，表明原子内部的信息。于是光谱学就成了探索原子奥秘的前沿阵地。 　　 1666年牛顿的色散实验是光谱学最早的开端，光谱就是一种色散现象。 　　 1800年，赫歇耳发现红外线。 　　 1801年，里特发现紫外线。 　　 1802年，沃拉斯顿观察到太阳光谱中间有许多黑线，这实际上是吸收光谱，沃拉斯顿误以为是颜色的分界线。 图5.2 夫琅和费观测到的太阳光谱 　　 1815年，天文学家夫琅和费发表了自己编绘的太阳光谱图（如图5.2），对其中一些谱线标以A、B、C……H等字母， 图5.3 基尔霍夫和本生最早的光谱仪 后来就把这些线称为A线、B线……H线。这就是特征谱线的最早认识。夫琅和费还发明了光栅。 　　 1859年，基尔霍夫和本生制成了第一台棱镜光谱仪（图5.3），开始用光谱方法分析物质的组成。他们认识到不同的物质具有不同的光谱线，从光谱线可以鉴定化学成分。用光谱方法，人们陆续发现了一些新的微量化学元素。 　　　1868年，瑞典物理学家埃格斯特朗发表标准太阳谱图表，记录有上千条光谱波长，数据精确到六位有效数字，均以10-10米为单位，为了纪念他的功绩，10-10米后来就命名为“埃”（?）。他的光谱数据当年被认定为国际标准。 　　 埃格斯特朗最先从气体放电的光谱中确定了氢的红线，即Ha，证明它就是夫琅和费从太阳光谱中发现的C线， 图5.4 氢的巴耳末谱系 后来，他又找到了氢的另外三根在可见光范围内的谱线，Hb、Hg及Hd，精确地测量了它们的波长（如表5-1）。 　　1880年又有两位天文学家胡金斯和沃格尔成功地拍摄了恒星的光谱，发现氢的这几根光谱还可以扩展到紫外区，组成一阶梯形光谱系。（如图5.4） 表5-1 氢的可见光谱波长 谱线 波长（×10-10米） Ha 6562.10 Hb 4860.74 Hγ 4340.1 Hδ 4101.1 　　 至此， 物理学家致力于寻找光谱的规律，并对光谱的成因，即光谱与物质的关系作出理论解释。 巴耳末　J.J.Balmer 1825-1898 图5.5 巴耳末 巴耳末原来是瑞士的一位中学数学教师，1825年5月1日生于洛桑。 中学时代在巴塞尔度过，后曾在卡尔斯鲁厄和柏林两地攻读数学。 1849年在巴塞尔以关于摆线的论文获博士学位。 1859-1897年一直在巴塞尔女子中学任教。 1865-1890年兼任巴塞尔大学讲师。 1898年3月12日在巴塞尔逝世。 当时的物理学家习惯于用力学方法来处理问题，没有摆脱传统观念的约束。也许正是由于这个原因，在光谱规律的研究上首先打开突破口的不是物理学家，而是瑞士的一位中学数学教师巴耳末（J.J.Balmer）。巴耳末擅长投影几何，对建筑结构、透射图形、几何素描有浓厚兴趣。他在这方面的特长使他取得了物理学家没有想到的结果。经过反复推敲，他终于从几何图形上领悟到谱线波长有迫近某一极值的趋势，就像建筑结构那样，由近而远，逐渐缩小。他又从几何关系找到谱线波长之间遵循毕达哥拉斯定理（即勾股定理），经过反复试算，找到一个共同因子b，列出一个公式，氢光谱的波长： 　　　　　　　　　　　　 其中m、n均为正整数，b=3645.6×10-7毫米。用这个公式反推氢光谱的波长，与埃格斯特朗的测量结果，相差不超过波长的1／40000。该公式于1884年发表。 一位中学数学教师，竟然解决了许多物理学家大伤脑筋的难题，打开了光谱奥秘的大门，他的诀窍也许就在于他不是物理学家，不受传统观念的约束，能够客观地看待问题吧！ 巴耳末公式的建立，为光谱系的整理工作提供了范例， 因为氢光谱是最简单、最典型的一种。从此，光谱学形成了一门系统性很强的科学，为进一步了解原子的特性准备了丰富资料。 1890年，瑞典物理学家里德伯（Johannes Robert Rydberg，1854-1919）列举了大量光谱数据，对光谱规律作出总结。后来，里德伯和舒斯特独立地发现里德伯－舒斯特定律，1908年，里兹（W.Ritz，1878-1909）提出组合原理，使光谱研究由光谱线转向光谱项。 　　 但单凭光谱现象的知识还不足以建立原子理论，还不足以揭示物质内部构造的规律性，因此，不能解释光谱的成因。只有等到量子理论的出现和原子核的发现，三条途径汇合到一起，才有可能解决这个问题。丹麦物理学家玻尔（Niels Bohr）正是在这些基础上于1913年成功地提出了氢原子模型理论。