Happy new year

夜空中綻放的煙火五彩繽紛

說起煙火的顏色

大家可能立刻會聯想到化學實驗中的「焰色反應」

我們可以根據化合物燃燒的火焰顏色

來判斷它可能含有的金屬成分

但你有深入想過

為什麼不同金屬燃燒後

會放出不同顏色的光嗎？

其實

其實焰色反應的色光

與你學過的原子的結構有關喔

19世紀中期

科學家就發現氣體加熱後會發光

並產生不同波長的光譜

為了解釋光譜形成原因

物理學家們

開始對原子的真實結構進行研究

直到1913年

波耳在拉塞福的行星原子模型基礎上

加入了兩個假設

才對原子光譜做出了解釋

行星原子模型是這樣說的

原子的質量集中在原子核

並位於原子中央

而質量較輕的電子如行星一樣

環繞原子核運行

波耳在這個基礎上提出

電子只能穩定存在於特殊的軌道上

以及電子可以透過吸收或放出光子

在軌道間躍遷的兩個假設

而電子從能量高的軌道躍遷到能量低的軌道時

所放出的光子

就是科學家們測得的譜線

透過這兩個假設

波耳推導出氫原子中各個軌道的能量

接著

又藉由電子在軌道間的躍遷

計算出氫原子的光譜

計算出來的結果與實驗相符

他也因為原子結構與原子光譜的研究

成為1922年的諾貝爾物理獎得主

這是一個氫原子模型的示意圖

想想看

一個處於第三激發態的氫原子

可能發射出幾種不同波長的光子呢？

氫原子的電子由高能階躍遷到低能階時

依照它躍遷到達的能階位置

可以分成不同的系列

例如

終點為n等於1的來曼系

它的光譜線

全位在紫外線波段

終點為n等於2的巴耳末系

它的前四條光譜線位於可見光區

終點為n等於3的帕申系

它的光譜線全位在紅外線波段

氫原子光譜中最早被發現的是四條可見光

1885年瑞士數學家巴耳末

透過數學的規律

找出了一個波長公式

稱為巴耳末公式

我們只要分別代入n等於3、4、5、6

就可以計算出氫原子的四條可見光譜

因此這個部分的光譜

就被命名為巴耳末系

後來

物理學家芮得柏

將巴耳末公式做修正

變成波長倒數的形式

稱為芮得柏公式

這個公式中我們可以看到

λ代表的是波長

而RH是一個常數

稱為芮得柏常數

那公式中的m與n是什麼意思呢？

m與n兩個都是正整數

且n大於m

我們如果把m代入2

n代入3到6的數字

就可以得到氫原子光譜中的四條可見光波長

要是將n代入更大的正整數

會得到紫外光部分的光譜

這些譜線

都屬於氫原子光譜中的巴耳末系

接下來我們把m改代入1

n代入大於1的數字

你會發現

計算出來的波長

與紫外光區的來曼系光譜吻合

那如果把m代入3呢？

沒錯

我們就會得到位於紅外光區的帕申系氫原子光譜

m繼續往下帶

還可以得到氫原子其他系列的譜線

與氫原子模型相互對照

就可以發現芮得柏公式中的n

代表的是電子躍遷的起點

而m代表的是電子躍遷的終點軌道

我們來思考一下這個問題

回到片頭的問題

為什麼煙火可以發出各種顏色的光呢？

其實煙火的主要結構

可以分為火藥與光珠兩個部分

火藥負責提供能量

而光珠中含有金屬化合物

負責發出光芒

當煙火炸開時

金屬原子在高溫下

電子會吸收熱能

躍遷到能階較高的激發狀態

激發狀態的電子不穩定

會立刻躍遷回基態

並釋放出電磁波

波長介於可見光區的電磁波

就是我們看到的煙火

不同原子的能階不同

釋放出的波長也不同

就會呈現出不同的焰色

我們來總結一下這支影片的學習內容

波耳氫原子模型中提出

電子只能穩定存在於特殊的軌道上

以及電子可以透過吸收或放出光子

在軌道間躍遷的兩個假設

氫原子光譜根據電子躍遷終點分為

來曼系

巴耳末系

以及帕申系等不同系列

科學家透過經驗整理出巴耳末公式

及芮得柏公式兩個公式

用以計算氫原子光譜的波長

浪漫的極光是因為來自太陽的帶電粒子

進入地球磁場所引起的自然現象

想想看

你要怎麼用物理方式來解釋極光呢？

歡迎留言分享你的想法

我們下次見

Bye bye