为什么从光谱就可以“看”出原子种类

在阳光照射下，肥皂泡上会出现斑斓的颜色。为什么光有这么多不同的颜色呢？为了研究这个问题，1666年牛顿让太阳光通过三棱镜，发现阳光被分解为七色光带。牛顿称之为光谱。

1853年，德国科学家罗伯特·本生和古斯塔夫·基尔霍夫又发现，被火焰灼烧时金属及其盐类能产生明亮火焰，其中包含独特的谱线。这就像人的指纹，每个人的指纹都不相同，利用这种方法可以鉴别各种金属。基尔霍夫用这种方法发现太阳表面存在氢、钠、铁、钙、镍等元素。这是人类第一次从地球上直接测出太阳中的元素种类。1868年，法国和英国天文学家发现太阳光谱中有一种从未见过的明亮的黄线，不同于之前任何熟悉的元素，从而证明太阳上存在着一种新元素——氦，后来人们在地球上也发现了它。那么，为什么不同的元素能产生不同的谱线呢？这个问题在很长时间里没能解决。

太阳可见光谱中的夫琅和费线（暗线）及对应元素

到19世纪末，光谱学的实验研究已积累了大量实验数据，人们逐渐找到了一些经验公式来统一表述众多复杂的光谱。1855年，瑞士中学教师巴耳末发现了氢原子光谱的一项经验公式。1885年，瑞典物理学家里德伯对这一公式进行了推广，写成了两个整数的平方倒数之差乘以一个常数，这个形式虽然简单，却可以精确地描述氢原子谱线。为什么原子的光谱有这样简单的规律？这些问题又困扰了物理界近30年。

1909年，英国科学家卢瑟福发现了原子是由原子核和绕原子核高速转动的电子组成。不过，按照电磁学理论，电子在转运过程中会发出电磁辐射，能量很快会降低，在不到1纳秒时间内电子就会掉进原子核，原子就崩溃了。但是，看看周围的世界，亿万年前形成的高山和大地至今还稳定地存在，这表明，原子是稳定存在的。

为解决这一尖锐的矛盾，1913年，年轻的丹麦物理学家尼尔斯·玻尔创造性地发展了德国物理学家普朗克在13年前提出的量子观点。当时，普朗克为解决黑体辐射问题，提出一项革命性的观点，认为物体发出的光辐射的能量是一份一份的量子，量子的能量大小取决于辐射的波长。这一观点虽然能较好地解释实验数据，但被当时大多数物理学家所质疑。

玻尔在了解里德伯光谱公式之后，提出了比普朗克更加激进的主张。在他看来，宏观世界中的规律未必能毫无保留地推广到微观世界。微观世界里，可以有全新的物理学。在对大量实验事实进行深入分析后，他提出氢原子中的电子绕原子核运动时，电子只能处于离原子核特定距离的轨道上，并且电子在这些轨道上绕核转动时既不吸收能量，也不发生电磁辐射，这样原子就会稳定存在，原子具有特定的能量，它所处的这种状态叫作定态（定态假定）；电子可以从一个定态轨道跃迁到另一个定态轨道，同时吸收或者放出光子，光的能量等于电子在不同轨道上的能量差（辐射条件）。

如果把能量比作上坡的话，在原子里电子只能走台阶，而不能走平滑的斜坡。在两个台阶（定态）之间，电子不能存在。也就是说，电子状态参数只能像里德伯公式一样取整数，能量、速度等都是不连续的。这样的主张完全颠覆了以往的认识。

元素的光谱特征

就这样，玻尔建立了量子力学。他创造性地把原子辐射的光的频率与原子的两个定态的能量差联系起来了。采用一些简单的计算就会发现，电子在定态之间跃迁时，原子吸收或者放出的光的频率正好是整数的平方差关系，这正是光谱学的里德伯公式。至此，光谱的秘密终于被揭开：电子只能在定态之间跃迁，由此产生的光子的波长是固定的值，因此原子的光谱是分离的线光谱；不同原子的定态能量不同，因此发出的光谱各不相同，具有自己的特征谱线，并满足里德伯公式。

此后，玻尔和其他人继续发展量子力学理论，光谱分析方法也越加精细。用物体的发射或吸收光谱可以非常精密地测量出物质的化学组成和相对含量，其测量非常灵敏和迅速，抗干扰能力极强，准确度很高。到今天，光谱学方法已经是物质分析最基本的方法，所采用的光也涉及所有光学波段，并被广泛应用于科研和工业生产中。（肖能超）

【科学人】玻尔

丹麦物理学家尼尔斯·玻尔

丹麦物理学家尼尔斯·玻尔（1885—1962）是量子力学的建立者之一。1913年他引入量子化条件提出了氢原子的量子模型，解得了氢原子光谱。1920年创建了哥本哈根理论物理研究所，担任所长40年。玻尔吸引了各国优秀学者到丹麦工作和交流，形成了著名的哥本哈根学派。

【科学人】里德伯

纳翰内斯·里德伯（1854—1919）是瑞典隆德大学物理系教授，从事元素的性质和结构研究。

他通过总结一系列元素的谱线，得到了具有普遍意义的光谱线经验公式——里德伯公式，比瑞士数学教师巴耳末的公式更具有普遍性。这个公式的含义直到1913年玻尔模型的提出才得到合理解释。