夜晚降臨

走在熱鬧的街上

商店招牌或聖誕節等節日可見到光彩炫目的霓虹燈

也因為繽紛的色彩增加節慶的氣氛

大家試著思考一下

霓虹燈為什麼會發光呢

還記得高一學過的能階嗎

在原子結構之中

有著能量不同的殼層

從原子核由內向外分別

以n＝1 2 3 4…

或K L M N…層

來代表不同能階

而n愈大能量愈高

這意味著

當電子所在的能階越高

所具有能量也越大

那霓虹燈的發光跟高一學過的能階概念有什麼關聯性呢

若將霓虹燈所放出來的光

經過分光後

會得到怎樣的現象呢

本節我們要利用氫原子光譜與氫原子模型的學習

來探討此原理

在放電管中充入低壓~10^ atm)的氫氣

並加以高電壓

受到電子撞擊會產生不穩定的氫原子

氫原子受激發後放出藍色的光

其中放出的可見光部分

經稜鏡分光後會得到不連續的光譜圖

後來科學家在紫外光區發現另一組譜線

紅外光區也發現三組譜線

而像這樣不連續僅只在特定的波長 頻率出現的光線

我們稱此為線光譜

再更準確的定義

像這樣因為氣態原子受到激發後

只能夠放出特定頻率 能量的光

光譜才會呈現線狀不連續的分布

如此稱為明線光譜

相較於氫原子光譜的線光譜

太陽光就是連續光譜

太陽 電燈泡…等熾熱光源所放出之光線

在某範圍內

出現連續的頻率及波長之光

而這也代表能量連續

因此成像在底片上

每個波長都具有光線

我們則稱連續光譜

同樣的

在低壓放電管中放入不同元素氣態

可得各元素的線光譜

但所得到的原子光譜不盡相同

這樣的原子光譜圖

可以視為是原子獨有指紋鑑定

因此當我們探究遙遠恆星發出的光譜

便可以知道其中主要組成元素為何

由氫原子光譜實驗可以觀察到其光譜有幾個特性

第一 為發射光譜

原子先被激發 電子回基態時放出光

第二 為不連續的明線光譜

每一條譜線對應一條特定頻率的光

第三 光譜可為數個光區

前三個主要光區為紫外光區

可見光區 紅外光區

第四 光譜上各光區的線條間隔呈現規律性

每一光區中

各相鄰譜線間隔隨頻率之增高而漸密

先前學過的能階與光譜光線分佈有密切的關聯性

紫外光區的來曼系列

是電子由高能量的能階回到n＝1

可見光區譜線的巴耳末系列

是電子由高能量的能階回到n＝2

依此類推

紅外光區的三組帕申系列 布拉克系列 蒲芬德系列

電子則分別由高能態回到n＝3 4 5

那大家聯想到霓虹燈的發光跟原子能階概念的關聯了嗎

霓虹燈通常為一條玻璃管

內含低壓氖氣或其他惰性氣體

與氫原子光譜相同

在燈管兩極加強電壓來加速電子

藉著高能電子撞擊氣體粒子

使其暫時處於一種激發態

當其電子回到能階基本態時

就會放出如同圖中的美麗的光線

我們便可以把它應用在招牌上

關於氫原子光譜特性的敘述

何者正確

氫原子光譜僅含某些特殊頻率的光線

氫原子光譜隨著光的頻率增加

其光線間的頻率差愈大

氫原子光譜與氦原子光譜相同

氫原子光譜主要的光區僅分布在可見光區及紅外光區

答案 A

由於能階分佈可知

氫原子光譜會隨著頻率增加

光線間的頻率差越小而愈密

不同的原子光譜圖不相同

主要的光區有紫外光區 可見光區及紅外光區

氫原子中的電子從n＝4能階降落

可能產生幾條不同頻率的電磁波

紫外光區 可見光區及紅外光區各兩條

紫外光區與可見光區各三條

紫外光區三條 可見光區兩條及紅外光區一條

紫外光區四條 可見光區兩條

紫外光區兩條 可見光區三條及紅外光區一條

氫原子的電子從主量子數n＝4能階降落時

所釋出光的情況如下

如圖可知

紫外光區的光線有三條

可見光區者則有兩條

紅外光區只有一條

學習完氫原子光譜

讓我們來做個總結吧

1. 氫原子光譜為不連續的線光譜

為特定頻率 波長 能量的光線

2. 氫原子光譜有很多光區

其中主要光區為來曼系 巴耳末系 帕申系

3. 原子的能階與光譜光線分佈有密切的關聯性

最後

由這個影片我們也可知

霓虹燈的原理和氫原子光譜的原理相同

如此的科技應用

也造就了夜晚生活的便利與閃爍燈光的美麗