氢原子光谱（Hydrogen spectral series ）指的是氢原子内的电子在不同能阶跃迁时所发射或吸收不同波长、能量之光子而得到的光谱。

中文名

氢原子光谱

外文名

atomic spectrum of hydrogen

发现者

约翰·雅各布·巴尔末

特征

氢原子光谱为不连续的线光谱

简介

最简单的原子光谱，由A.J.埃斯特朗首先从氢放电管中获得，后来W.哈根斯和H.C.沃格耳等人在拍摄恒星光谱中也发现了氢原子光谱线。到1885年，人们已在可见光和近紫外光谱区发现了氢原子光谱的14条谱线，谱线强度和间隔都沿着短波方向递减。其中可见光区有 4条, 分别用

表示。其波长的粗略值分别为6562.8┱、4861.3┱、4340.5┱和4101.7┱。1885年，瑞士物理学家J.J.巴耳末首先把上述光谱用经验公式：

表示出来，式中

B

为一常数。这组谱线称为巴耳末线系。当n→∞时，λ→

B

，为这个线系的极限，这时邻近二谱线的波长之差趋于零。下图是巴耳末线系的示意图。

氢原子光谱

1890年J.R.里德伯把巴耳末公式简化为式中

,称为里德伯常数，其值为(1.096775854±0.000000083)×10%m-1 。后来又相继发现了氢原子的其他谱线系，都可以用类似的公式表示。把波长的倒数称波数，单位是m-1 ，则氢原子光谱的各谱线系的波数都可用一个普遍公式表示：氢原子光谱

对于一个已知线系，m为一定值，而n为比m大的一系列整数。此式称为广义巴耳末公式。氢原子光谱现已命名的6个线系如下：赖曼系

紫外区 巴耳末系　

　可见光区 帕邢系　

红外区 布喇开系　

近红外区 芬德系　

远红外区 汉弗莱系　m＝6，n＝7，8，9，...　远红外区 在广义巴耳末公式中，若令，为光谱项，则该式可写成

氢原子任一光谱线的波数可表示为两光谱项之差的规律称为并合原则，或称里兹组合原则。氢原子光谱对于核外只有一个电子的类氢离子(如He+ ，Li+2 等)广义巴耳末公式仍适用，只是核的电量和质量与氢原子核不同，要对里德伯常数R作相应的变动。当用分辨本领很高的分光仪器去观察氢原子的各条光谱线时，发现它们又由若干相近的谱线组成，这称为氢原子光谱线的精细结构。它来源于氢原子能级的细致分裂。分裂的主要原因是①相对论效应所引起的附加能量ΔEr；② 电子自旋和轨道相互作用所引起的附加能量ΔEιε 。同时考虑以上两个因素后，算得氢原子的能级公式为h为普朗克常数

с为真空中的光速R为里德伯常数；n为主量子数；j为总角动量量子数；

α

称为精细结构常数，其值很小，因此第二项远小于第一项。如果忽略第二项，上式就是玻尔氢原子理论的氢原子能级公式；若保留第二项，则每一主量子数为n的能级都按不同的总角动量量子数 j表现出了它的精细结构。但这个公式中不含轨道角动量量子数l

这说明按量子力学理论氢原子两个不同l而n、j相同的能级具有相同的能量，对l是简并的。精细结构还与原子序数有关，氢能级的精细结构分裂比其他原子（如钠）的小。早期用高分辨光谱仪器曾观察到氢的Hα线的部分精细结构，分析后发现与量子力学理论有细小不符之处。氢原子光谱1947年 W.E.兰姆和 R.C.雷瑟福用分子束磁共振法研究氢原子能级的精细结构时测得22 S½比 22 P½高出0.033

，现在称之为兰姆移位，它很快由量子电动力学得到了解释。六个线系

氢原子由一个质子及一个电子构成，是最简单的原子，因此其光谱一直是了解物质结构理论的主要基础。研究其光谱，可借由外界提供其能量，使其电子跃至高能级后，在跳回低能级的同时，会放出能量等同两高低阶间能量差的光子，再以光栅、棱镜或干涉仪分析其光子能量、强度，就可以得到其发射光谱。亦或以一已知能量、强度之光源，照射氢原子，则等同其能级能量差的光子会被氢原子吸收，因而在该能量形成暗线。另一个方法则是分析来自外太空的氢原子，要取得纯粹氢原子的光谱也非十分容易，主要是因为氢在大自然中倾向以双原子、分子存在，但科学家仍能借由阴极射线管使其分解成单一原子。

依其发现之科学家及谱线所在之能量区段可将其划分为以下系列，系列中各谱线则用α、β等希腊字母来命名：

来曼系列

主条目：来曼系

主量子数n大于或等于2的电子跃迁到

的能阶，产生的一系列光谱线称为“来曼系列”。此系列谱线能量位于紫外光波段。

巴耳末系列

主条目：巴耳末系

主量子数n大于或等于3的电子跃迁到

的能阶，产生的一系列光谱线称为“巴耳末系”。巴耳末系有四条谱线处于可见光波段，所以是最早被发现的线系。

1885年，巴耳末（J.J. Balmer，瑞士，1825-1898）将位于可见光波段，能量位于410.12奈米、434.01奈米、486.07奈米、656.21奈米等谱线，以下列经验公式表示：，m = 3、4、5、6...，此方程称为巴耳末公式方程。

帕申系列

主条目：帕申系

主量子数n大于或等于4的电子跃迁到n = 3的能阶，产生的一系列光谱线称为“帕申系列”，由帕申于1908年发现，位于红外光波段。

布拉格系列

主条目：布拉开线系

主量子数n大于或等于5的电子跃迁到n = 4的能阶，产生的一系列光谱线称为“布拉格系列”，由布拉格于1922年发现，位于红外光波段。

蒲芬德系列

主条目：蒲芬德系

主量子数n大于或等于6的电子跃迁到

的能阶，产生的一系列光谱线称为“蒲芬德系列”，由蒲芬德于1924年发现，位于红外光波段。

韩福瑞系

主条目：韩福瑞系

主量子数n大于或等于7的电子跃迁到n = 6的能阶，产生的一系列光谱线称为“韩福瑞系列”，由韩福瑞于1953年发现，位于红外光波段。

参阅

  • 玻尔模型
  • 氢
  • 里德伯公式
  • 发射光谱
  • 21公分线