6-4 原子光譜

6.4.1 光譜的種類

光譜是指光經過色散（如經過稜鏡或光柵）後，按照波長或頻率排列形成的圖案。根據產生方式，光譜可分為三類：

1. 連續光譜

連續光譜是在光譜上呈現連續不間斷的色彩過渡，所有波長的光都有。常見於白熾燈泡發出的白光，經色散後形成紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫連續排列的光譜。

2. 發射光譜

發射光譜是在黑色背景上出現一些明亮的線條，稱為光譜線。這些線條對應特定波長的光。當特定氣體被加熱或放電時，原子內的電子從高能階躍遷到低能階，放出特定波長的光子，形成發射光譜。

3. 吸收光譜

吸收光譜是在連續光譜的背景上出現一些暗線。當白光通過冷卻的氣體時，氣體原子吸收了特定波長的光子，電子從低能階躍遷到高能階，導致該波長的光在光譜中缺失，形成吸收光譜。

6.4.2 原子光譜

每種元素的原子都有獨特的能階結構，因此不同元素的原子在電子躍遷時，會吸收或放出特定波長的光子，形成獨特的光譜線。這些光譜線就像原子的「指紋」，可以用來辨識元素的種類。

應用範例：

• 元素分析：透過觀察物質的發射或吸收光譜，可以確定其化學組成。例如，在天文學中，科學家通過分析星體的光譜，了解其組成元素。
• 太陽光譜：太陽光經色散後，發現連續光譜中存在許多暗線，稱為弗朗和斐斐線（Fraunhofer lines），這些暗線是太陽大氣層中的元素吸收特定波長的光造成的，據此可知太陽的化學成分。

6.4.3 波耳的氫原子模型

為了解釋氫原子光譜的規律性，尼爾斯·波耳（Niels Bohr）於 1913 年提出了氫原子模型，包含兩個重要假設：

1. 能階穩定態

電子只能在特定的圓形軌道上繞原子核運動，每個軌道對應特定的能量，稱為能階。電子在這些軌道上運行時，不會放出電磁波，因此是穩定的。

2. 電子躍遷與光子的吸收或發射

電子可以吸收或放出光子，從一個能階躍遷到另一個能階：

• 吸收光子：電子吸收能量，從低能階躍遷到高能階。
• 發射光子：電子從高能階躍遷到低能階，放出能量為 E = h × f 的光子。