氫光譜規(guī)律的發(fā)現

1815年,圖5.2夫瑯和費觀測到的太陽光譜1815年,圖5.2夫瑯和費觀測到的太陽光譜天文學家夫瑯和費發(fā)19世紀中葉，人們認識到光來自原子內部，有一定規(guī)律，用棱鏡或光柵可以把光的不同成分展現成光譜。不同物質的光譜有不同的特征，表明原子內部的信息。于是光譜學就成了探索原子奧秘的前沿陣地。圖5.1夫瑯和費（左2）正在展Q1666年牛頓的色散頭驗疋光示他的光譜儀譜學最早的開端，光譜就是一種色散現象。；1800年，赫歇耳發(fā)現紅外線。1801年，里特發(fā)現紫外線。1802年，沃拉斯頓觀察到太陽光譜中間有許多黑線，這實際上是吸收光譜，沃拉斯頓誤以為是顏色的分界線。表了自己編繪的太陽光譜圖（如圖5.2），對其中一些譜線標以A、B、C……H等字母,后來就把這些線稱為A線、B線H線。這就是特征譜線的最早認識。夫瑯和費還發(fā)明了光柵。1859年，基爾霍夫和本生制成了第一臺棱鏡光譜儀（圖5.3），開始用光譜方法分析物質的組成。他們認識到不同的物質具有不同的光譜線，從光譜線可以鑒定化學成分。用光譜方法，人圖5.3基爾霍夫和本生最早的們陸續(xù)發(fā)現了一些新的微量化學元素。光譜儀【1868年，瑞典物理學家埃格斯特朗發(fā)表標準太陽譜圖表，記錄有上千條光譜波長，數據精確到六位有效數字，均以10-1o米為單位，為了紀念他的功績，10-1。米后來就命名為“?！保ˋ）。他的光譜數據當年被認定為國際標準。埃格斯特朗最先從氣體放電的光譜中確定了氫的紅線，即H，a

證明它就是夫瑯和費從太陽光譜中發(fā)現的C線，后來，他又找到了氫的另外三根在可見光范圍內的譜線，h及h，精確地測量了它們的波長（如表5T）。IT880年又有兩位天文學家胡金斯和沃格爾成功地拍攝了恒星的光譜，圖5.4氫的巴耳末譜系發(fā)現氫的這幾根光譜還可以擴展到紫外區(qū)，組成一階梯形光譜系。（如圖5.4）表5-1氫的可見光譜波長譜線波長（X10-10米）H6562.10b4860.74H4340.1Hg4101.1至此，物理學家致力于尋找光譜的規(guī)律，并對光譜的成因，即圖5.5巴耳末圖5.5巴耳末巴耳末J.J.Balmer1825-1898巴耳末原來是瑞士的一位中學數學教師，1825年5月1日生于洛桑。中學時代在巴塞爾度過，后曾在卡爾斯魯厄和柏林兩地攻讀數學。1849年在巴塞爾以關于擺線的論文獲博士學位。1859-1897年一直在巴塞爾女子中學任教。1865-1890年兼任巴塞爾大學講師。1898年3月12日在巴塞爾逝世。（蘆現的過程）當時的物理學家習慣于用力學方法來處理問題，沒有擺脫傳統(tǒng)觀念的約束。也許正是由于這個原因，在光譜規(guī)律的研究上首先打開突破口的不是物理學家，而是瑞士的一位中學數學教師巴耳末(J.J.Balmer)。巴耳末擅長投影幾何，對建筑結構、透射圖形、幾何素描有濃厚興趣。他在這方面的特長使他取得了物理學家沒有想到的結果。經過反復推敲，他終于從幾何圖形上領悟到譜線波長有迫近某一極值的趨勢，就像建筑結構那樣，由近而遠，逐漸縮小。他又從幾何關系找到譜線波長之間遵循畢達哥拉斯定理(即勾股定理)，經過反復試算，找到一個共同因子b，列出一個公式，氫光譜的波長：其中m、n均為正整數，b=3645.6X10-7毫米。用這個公式反推氫光譜的波長，與埃格斯特朗的測量結果，相差不超過波長的1/40000。該公式于1884年發(fā)表。置一位中學數學教師，竟然解決了許多物理學家大傷腦筋的難題，打開了光譜奧秘的大門，他的訣竅也許就在于他不是物理學家，不受傳統(tǒng)觀念的約束，能夠客觀地看待問題吧！匚岡科學史的影晦〕巴耳末公式的建立，為光譜系的整理工作提供了范例，因為氫光譜是最簡單、最典型的一種。從此，光譜學形成了一門系統(tǒng)性很強的科學，為進一步了解原子的特性準備了豐富資料。1890年，瑞典物理學家里德伯(JohannesRobertRydberg，1854-1919)列舉了大量光譜數據，對光譜規(guī)律作出總結。后來，里德伯和舒斯特獨立地發(fā)現里德伯一舒斯特定律，1908年，里茲(W.Ritz,1878-1909)提出組合原理，使光譜研究由光譜線轉向光譜項。但單憑光譜現象的知識還不足以建立原子理論，還不足以揭示物質內部構造的規(guī)律性，因此，不能解釋光譜的成因。只有等到量子理論的出現和原子核的發(fā)現，三條途徑匯合到一