氫原子光譜 The Atomic Spectrum of Hydrogen

化學原理啟迪301

《Glenn Gould - Bach Goldberg Variations, BWV 988》

1.     20世紀初，有許多實驗提供「原子結構」的資訊，其中最重要的是湯姆生發現「電子」與拉塞福發現「原子核」；另一個重要的實驗是，用「能量」激化氫原子，使氫原子釋放光，研究其中的原理。

2.     當高能量的電荷打進氫氣氣體中，氫氣分子H2吸收能量，造成某些氫氣分子的「氫－氫鍵H－H」斷裂。

3.     吸收能量的氫原子們變得非常活潑過動，稱為處於「激態excited」，激態的氫原子的「能量」是過量的，這些「過量的能量」透過發出各種波長的光釋放出去，這些光波稱為氫原子放射光譜emission spectrum of the hydrogen。

4.     為了瞭解氫原子放射光譜的特性，我們必須先弄清楚：白光穿透三稜鏡產生的連續光譜continuous spectrum。連續光譜像彩虹一樣，含有所有可見光的波長。

5.     相反地，氫原子放射的可見光光譜，通過三稜鏡，投射到螢幕上的是「幾條的光線」，每一條光線代表特定波長。氫原子放射的光譜稱為線性光譜line spectrum。

 

6.     氫原子的線性光譜有什麼特徵？線性光譜說明了，氫原子的「電子」具備特定大小的能量。換句話說，氫原子的電子的能量是可以量化的quantized。 

7.     氫原子的電子，受到外在灌入能量的刺激變得活潑，因此能在不同能階的「電子軌域」之間跑來跑去，電子轉換能階的過程，會把電能轉換成特定波長的光能，釋放出來。

  

8.     氫原子的電子吸收外在灌入的能量後，脫離原本的慣性，在低能階與高能階不同的軌域間跑來跑去。

9.     當氫原子的電子，從高能階的軌域，轉移到低能階軌域時，必須扔掉一些能量，才有辦法進入低能階軌域；因此電子將身上部分的電能，轉換成光能。

10.    氫原子的電子轉移能階時所釋放的光線能量大小，可用愛因斯坦方程式計算：

ΔE＝hv＝hc/λ  

電子改變能階的能量變化 

＝普朗克常數×放射光的頻率

＝(普朗克常數×光速)÷波長

注：ΔE是改變的能量值；h普朗克常數是6.626×10^－34Js，這是波換算成熱能的比例值；v是放射光的頻率；c是光速；λ是放射光的波長。

11.    氫原子光譜一條條分明的光線，這個現象顯示，氫原子吸收外加的能量後，只會產生某幾種特定的能量，也就是電子並不是隨意運動的，圍繞原子核的電子有固定的運動軌域，改變的時候也有固定的模式，這稱為「能階是量化的」。

12.    相反地，如果真有原子允許任何能階的能量改變，這種原子放射出來的光譜應該是連續的。

13.    為什麼原子放出來的光譜不是連續的？因為所有的原子都是「能量」進入最穩定狀態的系統，也就是原子核與電子彼此有固定的距離、有固定的運動模式，因此原子內不可能允許各式各樣的電子自由地運動、電子與原子核隨意調整的距離，也因此結構穩定的原子，不會放射出包含各式各樣頻率的光線的連續光譜。

n   翻譯編寫Steven S. Zumdahl 《Chemical Principles》；Uwec.edu、Deepimpact.umd.edu、Files.chem.vt.edu、Myweb.rollins.edu、Astronomy.swin.edu.au    

徐弘毅：

1.   科學家先用「光線」去照射金屬板，使金屬板發電，證明光波可以轉變成電波；接著，科學家對原子氣體通電，證明原子的「電子」可以轉換成光波。不同種類的「能量」可以互相轉換，代表它們彼此之間有一些共通性，可以互相論證，也就是說，光波具電子的特質，同樣地電子運動也具有光波的特質。

2.   我們日常生活所見的可見光，裡面混雜著各種波長的光線，用三稜鏡分離這些光線，會出現紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫等各式各樣光線組成的連續性光譜。

3.   當玻璃瓶內的氫氣通電時，發現氫氣分子只釋放出特定四種顏色的光線，也就是四種頻率的光波，也可以說就是四種特定能量的光波。這代表什麼意思？通電後的氫氣原子有四種「波」動模式。氫原子的波動怎麼來的？

4.   每一種原子的原子核大小不同，電子數量也不同，造成原子核自己旋轉運動產生的波不同，也連帶使得圍繞原子核運行的電子的運動的波型不同。在沒有任何外在能量干擾前，原子核與圍繞它的電子按照慣性波狀運動，不會釋放出能量。

5.   但是如果有外在的能量灌入，原子核與圍繞它運轉的電子的運動就會加速，而產生新的「波」動，如果這些新的「波」動強到原子系統裝不下、滿出來，這些能量波就會釋放出來，這些釋放出來的「波」能夠反映原子核與電子之間發生的變化。

6.   當氫氣原子吸收電能，氫原子核與圍繞它的電子產生新的「波」動，釋放出四種能量的光波，這顯示氫原子核與它的電子產生四種「波」動方式，也就是覆蓋在原子核的外層的電子雲，有四種波濤起伏的方式。

7.   就像我們對海浪的強弱分為大海嘯、瘋狗浪、潮汐、風平浪靜的小浪花。圍繞原子核的電子雲，受到外加電能刺激而起伏的波動能量也分成不同等級，每一種等級製造出一種特定頻率的光波，稱為「量化」。

8.   原子的電子「改變能階」的意思就是，電子脫離原本的運動慣性，轉移到不同能量強度的「電子軌域」之間來回擺動的過程。

9.   當我們灌注電能到氫原子身上，氫原子吸收了外加的能量，原子核與電子都變得比較活潑，電子不斷地從原本的低能量軌道（能階），跑到新的高能量軌道（另一個能階），然後再折返回低能量軌道（能階），這個來回震盪的過程，跟潮起潮落一樣，是一種波動。

10. 原子的電子在不同能階來回震盪的距離不一樣，製造出來的波動的力量大小就不同，轉換出來的光波大小也不同，因此釋放出的光線波長也不同。