谱系

---

简介

根据一般的概念化，谱系指的是一组代表均匀速度和距离的平行线。在这种情况下，人们观察到光的波长会对这些谱线的波长产生重大影响。基于这一基本信念，本教程将定义氢原子的谱系。此外，本教程还将包括谱系的形成以及里德伯公式的解释。

谱系：定义

图 1：谱系

理解谱系原理最简单的方法被认为是研究氢原子。自然界中最基本的原子体系是氢，它有一个电子和一个质子。当光或辐射进入带有狭缝的装置时，就会形成图像。借助分光镜，可以观察到这幅图像 (Du 等人，2021)。由光波长形成的谱线并排排列成平行形式，并保持一致的间距。

谱系的形成

图 2：谱系的形成

为了理解谱系的形成，通常使用玻尔的原子模型。

应用于经典电磁理论，该模型用于解释每个原子所包含的一组能级 (McGuire 等人，2021)。

能级通常根据量子数命名。当电子从较高能级 (nh) 跳到较低能级 (nl) 时，会观察到释放能量为 nh – nl 的光子。

当在彼此相似的两个能级之间发生跃迁时，会观察到相同能量声子的产生，因为每个状态的关联能量是固定的，这有助于将谱系划分为等效的系列。

里德伯公式

图 3：里德伯公式

原子氢被认为是呈现发射光谱的原因。人们发现这种特定光谱由不同的数值谱系组成。

一旦能级达到激发态，就会观察到气体电子在能级之间跃迁。可以使用里德伯公式计算谱系的波长 (En.universaldenker，2022)。

玻尔模型中观察到的能级差异与发射光子的谱线的波长之间的差异通常由里德伯公式的数学表示来表示。

该公式的数学表示为 $\mathrm{\frac{1}{\lambda}=RZ^{2}(\frac{1}{n_1^{2}} −\frac{1}{n_2^{2}})}$。在该公式中，字母 R 被认为是里德伯常数，其值为 1.0973710⁷ m^-1。λ 表示波长，Z 是原子序数。

谱系的类型

莱曼系

这个特定的系列以西奥多·莱曼的名字命名，因为他是该系列的创始人。根据玻尔模型，当观察到电子从较高能级跃迁到 nl = 1 的能级时，就可以看到莱曼系的出现 (Quimby 等人，2018)。

巴尔末系

约翰·巴尔末通常在 1885 年发现了这个特定的系列。巴尔末系的出现可以在电子从较高能级转移到较低能级 (nl = 2) 的时间观察到，这些能级在电子光谱 (400nm 至 740nm) 中可见。

帕邢系

该系列以弗里德里希·帕邢的名字命名，他在 1908 年发现了该光谱。当电子从较高能级迁移到较低能级 (nl = 3) 时被认为是帕邢系 (Ucolick，2022)。该系列的波长位于电磁波谱的红外范围内。

布拉开特系

弗里德里希·萨姆纳·布拉开特在 1922 年发现了这个特定的系列，因此该系列以他的名字命名。当电子开始从较高能级转移到较低能级时，布拉开特系就会出现。

丰德系

该系列以奥古斯特·哈曼·丰德的名字命名，当电子迁移到较低能级 (nl = 5) 时发生。该系列的波长在电磁波谱的所有红外部分中都被认为是电磁的。

汉弗莱系

该系列由柯蒂斯·J·汉弗莱斯资助，当电子从较高能级迁移到较低能级 (nl = 6) 时发生。

结论

本教程阐明了谱系概念的表示，该概念可以在氢原子光谱的不同阶段从不同的角度观察到。在本教程中，已经包括了为了计算光谱的辐射，使用了具有 $\mathrm{\frac{1}{\lambda}=RZ^{2}(\frac{1}{n_1^{2}} −\frac{1}{n_2^{2}})}$ 这种数学表达式的公式。在该公式中，R 的值被认为是 1.09737 ✕ 10⁷ m⁻¹。此外，本教程还解释了几种不同类型的谱系。

常见问题解答

Q1. 什么是光子？

光子可以指负责传递电磁力的基本亚原子粒子。

Q2. 宇宙中最简单的原子体系是什么？

氢被认为是最简单的原子，因为它包含一个电子和一个质子，并且氢存在于宇宙的四分之三部分。

Q3. 在光谱中观察到多少条谱线？

在光谱中可以观察到两种类型的谱线，例如发射线和吸收线。当波长由粒子发射时，会发生发射线，而当波长被粒子吸收时，会发生吸收线。

Q4. 如何计算谱线？

可以使用公式的数学表示来计算谱线，该公式写成 (n₂ - n₁) (n₂ - n₁ + 1)/2。此特定公式表示可能的谱线数。

参考文献

期刊

Du，C.，Zhang，X. N.，Sun，T. L.，Du，M.，Zheng，Q. 和 Wu，Z. L. (2021)。氢键缔合介导的坚韧超分子水凝胶的动力学和粘弹性特性。大分子，54(9)，4313-4325。检索自：https://www.researchgate.net

McGuire，B. A.，Loomis，R. A.，Burkhardt，A. M.，Lee，K. L. K.，Shingledecker，C. N.，Charnley，S. B.，... 和 McCarthy，M. C. (2021)。通过光谱匹配滤波检测两种星际多环芳烃。科学，371(6535)，1265-1269。检索自：https://arxiv.org/pdf/2103.09984

Quimby，R. M.，De Cia，A.，Gal-Yam，A.，Leloudas，G.，Lunnan，R.，Perley，D. A.，... 和 Yaron，O. (2018)。来自帕洛玛瞬变工厂的贫氢超亮超新星的光谱。天体物理学杂志，855(1)，2。检索自：https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/aaac2f/pdf

网站

En.universaldenker，(2022)。氢的里德伯公式。检索自：https://en.universaldenker.org/formulas/743 [检索于 2022 年 6 月 17 日]

Ucolick，(2022)。谱线形成。检索自：https://www.ucolick.org/~bolte/AY4_00/week2/spectral_line_formation.html [检索于 2022 年 6 月 17 日]