原子光谱

引入

每种元素都有独一无二的光谱线，如同”原子指纹”。通过分析物质发光或吸收光的频率，可以鉴定元素种类。这背后的物理机制是原子能级的量子化。

正文

定义

原子光谱是原子中电子在不同量子化能级之间跃迁时发射或吸收的电磁辐射的频率分布。

发射光谱与吸收光谱

类型	产生方式	特征
发射光谱	激发态电子跃迁到低能级，释放光子	暗背景上的亮线
吸收光谱	基态电子吸收特定频率光子跃迁到高能级	连续光谱上的暗线

发射线和吸收线的频率满足：

$$h\nu =|E_f-E_i|$$

氢原子光谱

氢原子光谱是最简单的，可用里德伯公式统一描述：

$$\frac{1}{\lambda }=R_H\left(\frac{1}{n_1^2}-\frac{1}{n_2^2}\right)$$

其中 $R_H\approx 1.097\times 10^7{\mathrm{m}}^{-1}$ 为里德伯常数。

线系	$n_1$	$n_2$	光谱区
莱曼系	1	2, 3, 4, …	紫外
巴耳末系	2	3, 4, 5, …	可见光
帕邢系	3	4, 5, 6, …	红外

多电子原子光谱

多电子原子的光谱更复杂，因为电子间存在相互作用，能级不仅与 $n$ 有关，还与 $l$ 有关。但本质相同：分立的能级产生分立的光谱线。

选择定则

并非所有能级之间的跃迁都能发生。电偶极跃迁的选择定则：

$$\Delta l=\pm 1,\Delta m_l=0,\pm 1$$

违反选择定则的跃迁概率极低，称为”禁戒跃迁”。

化学应用

• 原子发射光谱（AES）：通过激发样品并分析发射光鉴定元素
• 原子吸收光谱（AAS）：通过基态原子对特定频率光的吸收进行定量分析
• ICP-OES：电感耦合等离子体发射光谱，可同时检测多种元素

引出

原子光谱只涉及电子能级跃迁。分子还有振动和转动能级，光谱结构更丰富，见分子光谱。

原子光谱的精细结构（线分裂）需要用角动量量子化和自旋-轨道耦合来解释。