时间：2022-07-20 07:21:35
人教版高中物理选修3-5教材中氢原子光谱一节有这样的描述：“各种原子的发射光谱都是线状谱，说明原子只发出几种特定频率的光。”如果原子只能发出几种特定频率的光，根据玻尔的能级理论，原子光谱的谱线没有宽度的绝对细线。事实上，即使最精密的光谱仪，所拍摄的谱线仍有一定宽度，不可能是没有宽度的绝对细线。这说明原子发出的光的频率不非是几个特定的值，也即光子发出的能量并不是绝对的值，而是在一定范围内。
一、原子光谱谱线的增宽
由于自身的物理性质或受到所处环境物理状态的影响，原子所发射或吸收的光谱线并不是单一频率的谱线。通常情况下，谱线会发生增宽。那引起谱线增宽的主要原因是什么呢？
主要原因有两种：①多普勒增宽。由于发光原子做无规则热运动，运动原子发出的光波产生多普勒频移，频移的大小依赖于原子运动速度沿观测方向的分量，趋近的原子发光频率增大，远离的原子发光频率减小；不同速度分量的原子发光频移大小不同。叠加的总效果造成谱线的多普勒增宽，其值与绝对温度的平方根成正比。通常多普勒增宽比自然宽度大2―3个数量级。②压致增宽。光源中众多的发光原子之间相互作用，干扰了原子的发光过程，造成谱线的增宽，或者是彼此碰撞阻断原子发光，或者是带电离子的电场对发光原子的斯塔克效应。增宽与原子的数密度有关，或者说与压强有关，因而称为压致增宽。
谱线增宽掩盖了光谱结构的细节，因而光谱实验研究的一个重要内容是消除谱线的增宽因素。
二、原子光谱谱线的自然宽度
在消除谱线的增宽因素后，谱线的自然宽度是不是就应该没有宽度的绝对细线了呢？
如果原子光谱谱线的自然宽度是绝对的细线，那原子发出的光就是纯粹的单色光，发光光子的能量必须完全确定，其频率、波长也必须完全确定。这就意味着，该波在空间上、时间上都应该是无限长的波。但事实上，原子的发光是间歇性的，每次向空间发射一个有限长度的波列或波包。波的有限长度正是光子在空间位置的不确定量Δx，根据不确定性关系Δx・Δp≥■可知，光子的动量有不确定量Δp。根据p=■，光子的波长并不唯一确定。这说明该波是由无数频率不等但相差很小的简谐波叠加而成的。因此原子发出的光也就不可能是纯粹的单色光，原子光谱的谱线的自然宽度就不可能是绝对细线了。
三、原子能级的不确定性
原子光谱之所以产生，是因为各激发态的原子向较低能级跃迁。如果原子发光光子的波长不唯一确定，那光子的能量也不唯一确定。那原子的能级值唯一确定吗？
高中教学中，根据玻尔的能级理论，以氢原子为例，基态氢原子的能量为-13.6eV，激发态氢原子的能量依次为-3.4eV、-1.5eV、-0.85eV……如果氢原子从第二能级跃迁到第一能级，则原子发光能量为ΔE=E■-E■=10.2eV，原子发出的光的能量是唯一确定的值。
需要说明的是，微观客体最重要的特性是波粒二象性。原子不仅是粒子，而且具有波的性质。对处于激发态的原子，因其寿命Δt较短，根据不确定性关系ΔE・Δt≥■，激发态的原子能级有不确定量ΔE。以氢原子第一激发态为例，其能级值并不严格等于-3.4eV，而应该有一定的能级宽度ΔE，即氢原子第一激发态的能级值为-3.4eV±ΔE。
那原子基态能级有没有一定宽度呢？基态原子是非常稳定的，其寿命Δt∞，由不确定性关系可得ΔE・Δt≥■，其能量的不确定性ΔE0。所以我们基本可以认为基态能级宽度为0，其能级值理论上是唯一确定的值。
激发态原子的能级宽度ΔE有多大呢？据可查数据，能级寿命数量级Δt=10■s，不难求出能级宽度ΔE=10■eV，远远小于原子的能级值。所以玻尔的能级理论是精确度不太高的情况下的一种理想化理论。在精确度要求不太高的情况下，我们完全可以应用该理论解决有关问题。