氢光谱规律的发现

1815年,图5.2夫琅和费观测到的太阳光谱1815年,图5.2夫琅和费观测到的太阳光谱天文学家夫琅和费发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。图5.1夫琅和费（左2）正在展Q1666年牛顿的色散头验疋光示他的光谱仪谱学最早的开端，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。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,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，人图5.3基尔霍夫和本生最早的们陆续发现了一些新的微量化学元素。光谱仪【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10-1o米为单位，为了纪念他的功绩，10-1。米后来就命名为“埃”（A）。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H，a

证明它就是夫琅和费从太阳光谱中发现的C线，后来，他又找到了氢的另外三根在可见光范围内的谱线，h及h，精确地测量了它们的波长（如表5T）。IT880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，图5.4氢的巴耳末谱系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（X10-10米）H6562.10b4860.74H4340.1Hg4101.1至此，物理学家致力于寻找光谱的规律，并对光谱的成因，即图5.5巴耳末图5.5巴耳末巴耳末J.J.Balmer1825-1898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。（芦现的过程）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=3645.6X10-7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。置一位中学数学教师，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！匚冈科学史的影晦〕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(JohannesRobertRydberg，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一舒斯特定律，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