原子与光谱知识点详解

天体光谱的观测研究可以得到很多重要信息，如天体的化学成分、温度、磁场等。原子是天体的主要成分，这里简述原子结构及其光谱。

1）原子结构和光谱

原子由原子核和电子组成。原子核由若干个带正电的质子和不带电的中子组成，其结构紧密，体积微小，但占原子的绝大部分质量。若干个带负电且质量小的电子在相当大的范围内绕原子核运动。不同元素的原子核有一定数目的质子（因而一定的正电荷数）从而确定其原子序数。中性原子的电子数等于原子核中的质子数。例如，氢的原子核只有一个质子，原子序数为1，只有一个核外电子；氦的原子核有两个质子和两个中子，原子序数为2，有两个核外电子。当原子中的电子获得足够的能量，就可以克服原子核的吸引力而逃离出去，于是该原子“电离”而成为离子。天文学上，中性原子常以元素符号后加罗马字母Ⅰ表示，一次电离（失去一个电子）的离子加Ⅱ，二次电离的加Ⅲ……例如，HⅠ表示中性氢原子，HⅡ表示氢离子，HeⅠ表示中性氦原子，HeⅡ表示一次电离的氦离子。与电离过程相反，自由电子与离子结合的过程称为复合。

原子的能量状态主要由核外电子的空间分布状况决定。原子的能量状态是量子化的，只有某些确定的能级。当原子从较高的能级跃迁到较低能级时，就辐射相应能量的光子。当原子吸收一个光子时，它从较低能级跃迁到较高的能级。能级之间的这种跃迁称为束缚态-束缚态跃迁，它遵守一定的量子力学规则，产生线谱。电子从束缚态获取足够的能量也可以发生在束缚态-自由态跃迁过程。自由电子在原子核场作用下也可以改变能量，从一种能量的自由状态变到另一种能量的自由状态。原子中的电子处于最低能级称为基态（量子数n=1），由基态跃迁到某一较高的能级——激发态（量子数n=2，3，…）所需的能量称为激发电势；而由基态电离所需最小能量称为电离电势。束缚态-自由态跃迁及复合的能量变化范围较宽或连续的，产生连续谱。

2）氢原子光谱

氢是最简单的原子，也是宇宙中最丰富的元素，下面以它为例用简单图像说明原子光谱。在正常状态下，核外电子处于基态。原子获得能量（如受高能光子作用）时，其电子会从基态跃迁到激发态。

电子从高能级Ej跃迁到低能级Ei所发射的光子能量为hν=Ej-Ei。氢原子的核外电子从量子数m＞n的一系列轨道跃迁到n轨道时，发射的一系列谱线称为线系。这些谱线的波长可用下面公式计算：

式中，R=109677 cm-1为里德伯常数。n=2为巴耳末线系，头几条谱线的符号和波长分别为Hα656.3 nm，Hβ486.1 nm，Hγ434.0 nm，…线系限为364.6 nm；n=1为赖曼线系，头一条谱线的符号和波长分别为Lα121.5 nm，线系限为91.2 nm；n=3为帕邢线系，n=4为布喇开线系，n=5为普丰德线系……，这些线系都在红外波段。原子之外的自由电子跃迁到某n值轨道就产生线系限外的连续光谱，如图4-6所示。

图4-6　氢原子能级和光谱线系(www.xing528.com)

大多激发态是不稳定的，很快（10-6s，甚至10-9s）就跃迁返回基态而发射辐射。那么，吸收线是怎么产生的？这是因为大量原子中总有相当多从基态跃迁到激发态，总的效果是既有发射，又有吸收，因而产生不完全黑的吸收线。

3）类氢离子和其他原子的光谱

如果离子只剩下一个核外电子则称为类氢离子，它们的光谱有相似于氢原子光谱的谱线系，但里德伯常数改为与其原子核质量和原子序数有关的值。例如，氦离子（HeⅡ）的皮克林线系是电子从n=5，6，…跃迁到n=4的能级时发射的，头四条谱线波长为1012.4 nm，656.0 nm，5421.2 nm，480.2 nm，线系限为364.5 nm。

多电子原子的光谱问题很复杂，光谱实验和量子力学研究取得很多成果。例如，氦和碱金属（铍、镁、钙等）的光谱线都分为两套：一套为单层能级结构（单重态），产生单线的线系，并因电子组态不同而分为主线系、漫线系、锐线系、基线系等；另一套为三重能级结构（三重态），产生更复杂的线系。

1868年在太阳色球光谱上发现当时未知元素的谱线（波长为587.562 nm），25年后才在地球上找到这种元素——氦；在星云的光谱中发现波长为500.7 nm和495.9 nm等未知谱线，后来认识到它们不是新元素，而是二次电离氧（OⅢ）产生的“禁线”。“禁线”是实验室条件下产生概率非常小的谱线，但易产生于星云环境。

4）分子光谱

分子由多个原子组成，其结构复杂。双原子分子的总能量E为三部分（电子能量Ee、两原子相互作用的振动能量Ev、两原子核绕它们重心轴的转动能量Er）之和，E=Ee＋Ev＋Er。这些能级都是量子化的。从高能级跃迁到低能级发射光子能量。

一般来说，为1～20 eV，）为0.05～1 eV，）小于0.05 eV。纯电子能级跃迁的发射在紫外到可见光波段，纯振动跃迁的发射在红外波段，纯转动跃迁的发射在远红外波段，三种叠加一起仍在紫外到可见光波段，振动和转动叠加一起则在红外波段。分子光谱的谱线常密集成一段段的带组，各带组含几个带。每一带的各谱线相当于不变，而不同，即转动能级跃迁的谱线组成一带；（E′e-Ee）决定几带。实际上，有些带彼此交错或重叠，较难识别。作为例子，图4-7给出彗星的光谱，可认证出CN、C2等分子及CO＋、、H2O＋离子。

图4-7　威斯特（West）彗星的光谱