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物理科課程 氫原子發射與吸收光譜
FEB 15 ,2022
<本內容參考PASCO教學資源,轉載請註明出處>
簡介
太陽在整個生命的發展上佔有舉足輕重的地位,然而,長期曝曬於陽光底下則可能對身體造成負面的影響,因為陽光除了包含我們平常肉眼可以看見的「可見光」外,也包含了肉眼看不見的「紅外光」與「紫外光」。太陽之所以能夠發射出如此大範圍電磁光譜,是因為其內部在進行每秒可將400萬噸物質轉化為能量的「核融合」反應。現今,透過光譜的偵測,可以幫助我們了解究竟太陽的大氣中含有那些物質,在本次實驗,將結合波耳所提出的「氫原子模型」、光譜與電子能階躍遷的概念,探索太陽的大氣成分中,究竟是否含有氫氣存在?
背景知識
20世紀物理學發展
20世紀初被稱為是物理學的黃金時代,因為許多領域都獲得了重大的進展與突破,同時包含量子力學的誕生,解釋原子中電子排列的量子理論是科學理解如何隨著實驗數據而變化的案例研究,19世紀末的進步為20世紀初原子理論鋪平了道路,例如門得列夫發現元素質量不斷增加的重複模式,湯木森對於「電子」的發現,以及拉塞福的金箔實驗發現原子大部分的質量位於一個帶正電的小中心核中。拉塞福在20世紀的前幾十年中提出了一個重大問題:帶負電的電子如何分佈於原子內部?
氫原子光譜
當原子獲得能量時,只會發射出特定顏色的光,這種光的模式對於每種元素來說是獨一無二的。巴耳末設計了一條數學公式來描述這種光的能量,巴耳末的原始公式將氫發射光譜中存在的4種可見光波長與整數m、n以及常數k結合起來
該公式預測了觀察到的波長以及可見光譜之外的波長,但沒有解釋公式裡變量之間關係的理論基礎。芮得柏將公式與波數(1/λ)和稱為芮得柏常數的經驗常數(R)聯結起來
波耳氫原子模型
波耳將能階的理論應用於巴耳末-芮得柏公式,描述氫發射光譜可見光區段,最終能階(nf)的值始終為2,因為所有4個波長都是由較高能階下降至第2能階的激發態電子所產生的,ni的值為大於2的初始激發能階,例如3、4、5或6,R(芮得柏常數)為1.09737*107 m-1。波耳結合了芮得柏修正的巴耳末公式、拉塞福的原子模型以及普朗克與愛因斯坦的研究,提出了對氫發射光譜的解釋,他提出當吸收離散量的光能時,電子只能從一個「軌道」移動到另一個「軌道」,一旦電子吸收了適當的能量,他們就可以躍遷至能量更高的軌道上,波耳假設只有當電子躍遷至與原子核不同距離的軌道上時才會出現光譜模式,並且軌道距離與能量直接相關。透過圖示的電子能階(主量子數)來表示這個軌道系列的能量
雖然波耳的模型只適用於只有一個電子的原子,但它為兩個經久不衰的想法提供了基礎:
- 電子根據其能量排列在原子核周圍
- 發射光譜與電子在能階之間躍遷時所吸收和發射的離散能量有關
現今,量子理論解釋了氫發射光譜可見光線是如何產生的。當電子被激發到第三、第四、第五或第六能階(n = 3、4、5 或 6)的軌道然後返回到第二能階(n = 2)時,原子釋放波長對應於能階之間的能量差
實驗內容
在本次實驗的第一部分,你將透過光譜儀與專用光纖探針確定氫原子發射光譜(可見光)的波長,並使用巴耳末-芮得柏公式(Balmer-Rydberg equation)來預測波長值,並與實驗值進行比較。量測的波長也將用於繪製波數與能階的關係圖,以藉由實驗確定芮得柏常數值
在本實驗的第二部分將觀察太陽的吸收光譜,如圖所示,「發射」描述了當電子從激發態移動到低能量狀態時釋放的能量,而「吸收」描述了電子吸收能量,使其能夠從低能量狀態移動到更高能量狀態。在太陽核心將氫融合成氦的核反應每秒將400萬噸物質轉化為能量。結果,太陽在整個電磁光譜中發射幾乎所有波長的能量,即我們常稱的「陽光」。陽光包括可見光譜、紫外線輻射(UV)和紅外線輻射(IR),當你用光纖探針觀察陽光時,你會在電磁光譜的陽光區段看到一系列較小的峰和谷,谷代表吸收波長。當太陽大氣或地球局部大氣中存在的元素和化合物選擇性地吸收太陽釋放的能量時,就會產生吸收波長。科學家可以透過將其吸收光譜與已知物質的光譜相比較來確定遙遠恆星的大氣成分,例如,在觀察太陽的吸收光譜時,你會看到與氫氣發射線具有相同波長的谷或吸收線
實驗目的
- 將預測的氫發射光譜波長與實際觀察到的波長進行比較
- 將氫發射光譜波長與量子化能階躍遷聯繫起來
- 解釋「發射光譜」與「吸收光譜」的差異
- 透過實驗找出芮得柏常數
實驗設備與材料
鐵環架與夾鉗 |
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白紙 |
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專用光纖探針(註1) |
SE-9461氫原子燈管 |
光譜儀專用軟體 |
註1: PS-2600無線光譜儀與SE-3607紫外/可見光光譜儀皆有搭配之專用光纖探針