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1、原子光谱的特点京我们知道，太阳光或白炙灯发出的白光,是由红，橙，黄，绿，蓝，紫等不同波长的光 组成的一种混合光，其谱线是连续的.紫 蓝 绿槌 红但我们获得的任何原子的光谱都是线状的.而且每种原子都具有自己的特征光 谱，如图3-8所示。E3-8氢和某些碱金属的可见原子光谱氢原子光谱是最简单的一种原子光谱，图3-9和3-10为氢原子发射光谱实验示 意图和光谱图。E13-9氢原子光谱实验示意图匪TQ氢原子光借图开天辟地之一论电子结构与原子光谱问题谭星军Email:序上个世纪初，玻尔理论在解释氢原子光谱问题时获得了巨大的成功，许多人 以为解决原子光谱问题指日可待。然而一晃一百多年过去了，众多的有志之士
2、为 之不懈奋斗，或心有余而力不足，或是有劲无处使，英雄无用武之地，陷身其中， 不能自拔，除了增加了一些晦涩难懂的“理论”、“假设”以外，人们并没有取 得突破性的进展。所有的研究成果仅仅只是停留在对已有实验数据的解释上，就 连原有的卢瑟福的原子行星模型也被改成一团云雾的“电子云”模型，真是不改 还清楚，越改越模糊了。愚以为就人类目前的科技水平而言，要解释原子光谱问 题，主要是思维方法问题而不是实验设备问题。这样讲有些人可能会勃然大怒， 真是看人挑担不费力，站着说话不腰疼，有本事你试试看！不错，本文的目的就 是阐述彻底解决原子光谱问题的方法，既然号称开天辟地，必然有独到的见解， 但仅仅有独到的见解
3、还不够，关键是诸位看过以后心服口服，并且立即扔掉以前 固执的想法，掌握运用解决原子光谱问题的新观点、新方法，在原子光谱领域十 出一番事业来。倘能如此，则足矣。*1、光子是电子的组成部分（本节的目的是弄清楚发光现象究竟是由原子的哪一部分来完成的）燃烧的蜡烛、通电的灯泡、太阳以及宇宙中无数的恒星都能够发光，尽管它 们发出的光颜色可能不同；通常我们见到的物体也可以“发光”，只不过这些光 属于红外线，肉眼看不见。从广义上来讲，自然界中的一切物质，只要其温度在 绝对零度以上，就可以向外辐射电磁波，而人眼能够看到的可见光仅仅是电磁波 中的极小一部分。那么，物质是如何发光的？光子是由物质的哪一部分发出的 呢
4、？分子运动论指出，物质是由原子（分子）构成的。在化学变化中，伴随着电 子的得失，常常有光子（能量）放出，其它的许多事实也表明，原子是物质中最 小的发光单位。既然光子是由原子放出的，那么原子又是如何发光的呢？要弄清 这个问题首先必须明白光子是由原子的哪一部分放出的。我们知道，原子是由原 子核和核外的电子构成的。在原子发光以前，光子作为一种物质实体，独立于人 类的意识而存在，它是不以人们的意识为转移的，那么光子究竟存在于原子中的 哪一部分呢？显然，光子或者存在于电子之中，或者存在于原子核中，二者必居 其一，而不可能有别的选择。通常情况下，原子核的结合能极大，当原子核裂变 以后放出的能量往往在兆电子
5、伏数量级上，而且放出的光子也都是Y射线之类 的高能光子，而我们通常所指的发光现象，如可见光、红外线之类的电磁波，其 能量都在几个电子伏的数量级上，所以一般的发光现象，都是由原子核外的电子 放出光子。我们讨论的焦点也集中在电子发光上。既然电子可以放出光子，那么在电子发光前光子必然是电子的组成部分，或 者说电子有一定的内部结构，光子是其组成部分之一。我们知道，电子带有一个 单位的负电荷，而光子却是中性的不带电，这说明电子内部的负电荷不是均匀分 布的（因为如果电子内部的负电荷是均匀分布的，那么光子也应该带负电）。我 们还不知道电子内部的其它组成部分是什么，但我们可以肯定的是：光子一定是 电子的基本组
6、成部分（当然电子内部必然还有带负电荷的其它粒子）。知道上述 两点对我们解决原子光谱问题已经足够了。我们从最简单的氢原子入手分析。氢 原子是由质子和一个电子组成的。质子带一个单位正电荷，电子带一个单位负电 荷，它们之间的距离很小，在纳米的数量级上，所以它们之间的静电力很强。由 于电子内部的电荷不是均匀分布的，带负电的粒子在原子核强大的静电引力作用 下，必然被吸引向靠近原子核的一方，此时电子产生了形变；如果原子核的静电 引力足够强，那么电子就可能发生裂变，作为裂变的产物一光子就诞生了。电 子裂变放出光子以后，其质量变小，体积也相应减小，于是各个部分之间结合得 更加紧密，此时电子处于饥饿状态，适当的
7、时候还可能吸收一个光子，这就为电 子的下一次裂变放出光子准备了前提条件。而原子主要是通过电子不断地吸收、 放出光子来和外界交换能量的。从前面的分析我们知道，决定电子能否裂变放出光子的因素有两个：原子核 的引力和电子内部的凝聚力。这两个力是相互矛盾的，电子就是在这一对相互矛 盾的力的作用下处于平衡状态。很显然，原子核的引力总是力图使电子发生形变 进而产生裂变一直至放出光子，而电子内部的凝聚力则总是力图使电子凝 聚成一个整体一并尽可能地再吸收一个或多个光子。由于光子有一定的质量， 所以电子吸收一个光子后其质量必然增大，放出一个光子后其质量必然减小。可 以简单地认为，原子核的引力总使电子质量减小，而
8、电子自身的凝聚力总使其质 量增大。正是这一对相互矛盾的作用力平衡的结果导致了电子在原子中能够稳定 地存在。那么这两个力对电子裂变放出光子产生什么样的影响呢？首先来看原子 核的静电引力。库仑定律指出，两个点电荷的作用力，与它们电量的乘积成正比， 与它们之间的距离的平方成反比。性 2即有A盘由此可见，原子核对电子的静电引力与原子核自身的电量有关。在原子核与 电子距离一定的情况下，原子核电量越大对电子的静电引力也就越大，因而也越 容易使电子裂变产生光子；原子核电量越小对电子的静电引力也就越小，因而也 不越容易使电子裂变产生光子。对于同一个原子而言，原子核的电量是一定的， 原子核与电子之间的静电力仅仅
9、取决于它们之间的距离，距离越小则静电力越大 因而越容易使电子裂变放出光子。我们再来看电子自身的凝聚力的大小和哪 些因素有关。为简单起见，我们仅认为电子是由光子（中性物质）和带负电的 粒子组成的。当然这种看法是不完全正确的，但却不影响我们分析问题。在通常 情况下，电子内部各部分间存在着排斥力和凝聚力，这两种力处于平衡状态。在 原子核强大的静电作用下，电子内部的负电荷有向原子核一面集中的趋势，这个 趋势必然引起电子形变，如果原子核的引力足够强则电子就会发生裂变放出光 子；反之，如果一个电子裂变放出光子以后，其质量必然减小，此时电子体积减 小，其内部结合得更加紧密，这时它可能会吸收一个光子而成为新的
10、电子。在电 子和光子相遇后，由于光子不带电，所以当光子进入电子内部以后必然打破了原 来电子内部各部分之间的平衡。如果形成的新电子内部各部分之间的凝聚力大于 排斥力，则形成的新电子就是稳定的；反之，若形成的新电子内部各部分之间的 排斥力大于凝聚力，则形成的新电子就是不稳定的一它将裂变放出光子。电子 和光子从相遇一结合一分离需要一定的时间，倘若这个时间极短，那么我们 可以认为：电子不与该光子作用；倘若这个时间较长，那么我们可以认为电子吸 收了该光子。以上说了这么多，归结起来就是，光子是电子的组成部分，电子可以吸收一 个光子后形成新的、质量更大、内部结合力更弱的电子；也可以放出一个光子后 形成新的、
11、质量更小、内部结合力更强的电子。实际上，在上个世纪人们就发现， 原子核是由中子和质子组成的，并且也发现了同一种元素的多种同位素。如果有 人说同一种元素的原子核（带有相同的质子数）可以吸收几个不同数量的中子形 成质量不同的新的原子核（同位素），谁都不会怀疑；但同样是带电粒子，却没 有人去分析电子的内部结构，既便有，也没有人把它和原子光谱问题联系起来， 实在很可惜。这其中固然有人们思维定势的一面，但最主要的原因还是没法突破 解决原子光谱问题的主要屏障一原子和电子之间的磁力作用。电子的质量可以 变化，可以不停地吸收一放出光子，这是在解决原子问题时我们遇到的第一个 屏障一但不是最主要的屏障，如果您现在
12、还对这个问题持怀疑态度的话，那么 下面的几节就不用看了。大火2、电子的质结合能曲线（本节的中心任务是说明电子质量的可变性）自然界的规律往往有惊人的相似之处。我们知道，原子核可以裂变，裂变后 有能量放出，但只有一些特定质量的原子核的结合能是很大的，人们称之为质量 幻数。从微观的角度来看，原子核质量幻数的存在，说明原子核是有一定的内部 结构的，也就是说原子核不是一个匀质的硬性小球，它是由比它更低一级的粒子 构成的，同时也说明人类目前对原子核内部组成研究的还不是很透彻。和原子核 质量幻数相似，电子也存在着质量幻数。即电子的结合力与其质量的关系不是线 性的，总有些特定质量的电子的结合力相当大，比其它质
13、量电子的结合力大许多， 也就是说，由于电子有一定的内部结构，使得总有一些特定质量的电子是相当稳 定的。前面我们指出，电子可以和光子作用，适当的时候可以吸收光子。如果我 们能把电子的质量和电子在该质量下电子的结合能描绘出来的话，那么我们将看 到一条曲线，这条曲线上的许多峰值也指出电子质量幻数的存在。那么电子的质 量一结合能曲线是怎样的呢？ 一般说来，电子质量越大则体积也越大，内部各 部分结合的越松散，在原子核静电力作用下越容易发生裂变；电子质量越小则体 积也越小，内部各部分结合的越紧密，在原子核静电力作用下越不容易发生裂变。 也正因为如此，质量越大的电子结合光子的能力就越弱，质量越小的电子结合光
14、 子的能力就越强。从光子的角度来看，对不同质量的光子而言，光子质量越小其 进入电子内部后对整个电子内部各部分之间的平衡影响也越小，因而和电子的结 合力也越大；反之，光子质量越大其进入电子内部后对整个电子内部各部分之间 的平衡影响也越大，因而和电子的结合力也越小。N要寻找的超重核岛和已知核半岛的位置图最粗的黑点表示天然核；中等黑点代表半衰期大于一年的核，靛轻的黑需代表小于一年的核，指名的核是质子满壳核（寿命估计名家有很大的出入）和原子核质量幻数相似，总有特定质量的电子的结合力相当大，比其它质量 电子的结合力大许多，这些特定质量的电子往往对应于电子在原子核中的稳定轨道。若以纵坐标表示电子的结合能，
15、以横坐标表示电子的质量，那么电子的质量 结合能曲线大致呈下降趋势，如图。注意，在上图中所画的曲线是虚线，这里提醒诸位，千万不能按图对号入座， 因为电子实际的质量一结合能曲线可能与上面所画的有较大的差别。实际的曲 线究竟是怎样的，还有待于实验检验。图工 核子的平均结合能作为对比，我们给出原子核的平均结合能，如上图所示。如上图所示，我们用简单的模型来模拟电子受原子核扰动时裂变的情形。在 上图中，我们假设电子的内部结构如左图所示，图中金色的圆点代表光子，绿色 的圆点代表电子中带负电荷的部分，其余部分我们暂不考虑。在电子没有受到原 子核静电引力的时候，光子和带负电荷的部分在电子中均匀分布；当电子受到原
16、 子核静电引力作用的时候，由于静电引力的影响，电子中带负电荷的部分向电子 的一侧移动，而光子就集中于电子的另一侧，如上图所示。如果原子核的静电引 力足够强，电子内部的形变也足够大，此时电子就会发生裂变放出光子。前面我们指出，促使电子裂变放出光子的力是原子核和电子之间的静电引 力，这个力是随着原子核和电子之间的距离减小而迅速增大的。也就是说电子离 核越远受到的静电引力越小，电子离核越近受到的静电引力越大。通常情况下， 电子带负电，而原子核带正电，在静电力作用下，电子会产生一定的形变（当然 原子核也会产生形变，不过由于原子核的结合能比电子的结合能大得多，所以原 子核的形变往往可以忽略），如果电子的形变达到一定限度，其内部的凝聚力不 足以使电子维持成一个整体，这时电子就会发生裂变，其结果是电子放出光子； 放出光子后，电子处于饥饿状态，若原子核的静电
