氫光譜規(guī)律的發(fā)現(xiàn)

1815年,圖5.2夫瑯和費(fèi)觀測(cè)到的太陽光譜1815年,圖5.2夫瑯和費(fèi)觀測(cè)到的太陽光譜天文學(xué)家夫瑯和費(fèi)發(fā)19世紀(jì)中葉，人們認(rèn)識(shí)到光來自原子內(nèi)部，有一定規(guī)律，用棱鏡或光柵可以把光的不同成分展現(xiàn)成光譜。不同物質(zhì)的光譜有不同的特征，表明原子內(nèi)部的信息。于是光譜學(xué)就成了探索原子奧秘的前沿陣地。圖5.1夫瑯和費(fèi)（左2）正在展Q1666年牛頓的色散頭驗(yàn)疋光示他的光譜儀譜學(xué)最早的開端，光譜就是一種色散現(xiàn)象。；1800年，赫歇耳發(fā)現(xiàn)紅外線。1801年，里特發(fā)現(xiàn)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(shí)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(duì)其中一些譜線標(biāo)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(rèn)識(shí)。夫瑯和費(fèi)還發(fā)明了光柵。1859年，基爾霍夫和本生制成了第一臺(tái)棱鏡光譜儀（圖5.3），開始用光譜方法分析物質(zhì)的組成。他們認(rèn)識(shí)到不同的物質(zhì)具有不同的光譜線，從光譜線可以鑒定化學(xué)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(xiàn)了一些新的微量化學(xué)元素。光譜儀【1868年，瑞典物理學(xué)家埃格斯特朗發(fā)表標(biāo)準(zhǔn)太陽譜圖表，記錄有上千條光譜波長，數(shù)據(jù)精確到六位有效數(shù)字，均以10-1o米為單位，為了紀(jì)念他的功績(jī)，10-1。米后來就命名為“?！保ˋ）。他的光譜數(shù)據(jù)當(dāng)年被認(rèn)定為國際標(biāo)準(zhǔn)。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(fèi)從太陽光譜中發(fā)現(xiàn)的C線，后來，他又找到了氫的另外三根在可見光范圍內(nèi)的譜線，h及h，精確地測(cè)量了它們的波長（如表5T）。IT880年又有兩位天文學(xué)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(xiàn)氫的這幾根光譜還可以擴(kuò)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(xué)家致力于尋找光譜的規(guī)律，并對(duì)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(xué)數(shù)學(xué)教師，1825年5月1日生于洛桑。中學(xué)時(shí)代在巴塞爾度過，后曾在卡爾斯魯厄和柏林兩地攻讀數(shù)學(xué)。1849年在巴塞爾以關(guān)于擺線的論文獲博士學(xué)位。1859-1897年一直在巴塞爾女子中學(xué)任教。1865-1890年兼任巴塞爾大學(xué)講師。1898年3月12日在巴塞爾逝世。（蘆現(xiàn)的過程）當(dāng)時(shí)的物理學(xué)家習(xí)慣于用力學(xué)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(gè)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(xué)家，而是瑞士的一位中學(xué)數(shù)學(xué)教師巴耳末(J.J.Balmer)。巴耳末擅長投影幾何，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)、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(xué)家沒有想到的結(jié)果。經(jīng)過反復(fù)推敲，他終于從幾何圖形上領(lǐng)悟到譜線波長有迫近某一極值的趨勢(shì)，就像建筑結(jié)構(gòu)那樣，由近而遠(yuǎn)，逐漸縮小。他又從幾何關(guān)系找到譜線波長之間遵循畢達(dá)哥拉斯定理(即勾股定理)，經(jīng)過反復(fù)試算，找到一個(gè)共同因子b，列出一個(gè)公式，氫光譜的波長：其中m、n均為正整數(shù)，b=3645.6X10-7毫米。用這個(gè)公式反推氫光譜的波長，與埃格斯特朗的測(cè)量結(jié)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(xué)數(shù)學(xué)教師，竟然解決了許多物理學(xué)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(xué)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(xué)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?yàn)闅涔庾V是最簡(jiǎn)單、最典型的一種。從此，光譜學(xué)形成了一門系統(tǒng)性很強(qiáng)的科學(xué)，為進(jìn)一步了解原子的特性準(zhǔn)備了豐富資料。1890年，瑞典物理學(xué)家里德伯(JohannesRobertRydberg，1854-1919)列舉了大量光譜數(shù)據(jù)，對(duì)光譜規(guī)律作出總結(jié)。后來，里德伯和舒斯特獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)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(zhuǎn)向光譜項(xiàng)。但單憑光譜現(xiàn)象的知識(shí)還不足以建立原子理論，還不足以揭示物質(zhì)內(nèi)部構(gòu)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(xiàn)和原子核的發(fā)現(xiàn)，三條途徑匯合到一