原子光谱基础

基本原子结构

的元素的发射光谱和吸收光谱取决于电子的结构原子．原子由若干带负电荷的原子组成电子绑定到含有相等数量正电荷的原子核质子．的核包含一定的数字(Z)的质子数和一般不同的质子数(N)中子．原子核的直径取决于质子和中子的数量，通常为10⁻¹⁴到10⁻¹⁵米(3.9 × 10⁻¹³到3.9 × 10⁻¹⁴寸)。原子核周围电子的分布用量子力学．

原子的化学和光谱特性离子主要是由他们的电子结构即:，by the number and arrangement of electrons surrounding their nucleus. Typical energies of electrons within an atom range from a few electron volts to a few thousand电子伏特．化学反应光谱源中发生的其他过程通常涉及这个数量级的能量交换。发生在原子核内的过程(例如，电磁原子核能量状态之间的转换，β衰变，α衰变和电子捕获)通常涉及数千到数百万电子伏的能量;因此原子核的内部状态几乎不受化学反应中通常过程的影响，光吸收，光源。另一方面，核磁矩可以通过与原子电子的耦合而被光定向。这个过程被称为光抽运，其中原子被循环激发极化光，是用来定向的自旋原子核的。

的部队把一个原子固定在一起主要是原子核中的正电荷和每个电子的负电荷之间的静电吸引力。因为就像指控相互排斥，每个电子对其他电子都有相当数量的电排斥。计算原子的性质首先需要测定原子的总量内部能量由原子组成的动能电子和静电而且磁电子之间的能量以及电子和原子核之间的能量。

原子的大小尺度是由原子倾向于处于最小能量状态这一事实和海森堡定律共同决定的不确定性原理．的海森堡不确定性原理说明，不确定度在同时确定位置和动力(质量乘以速度)在任何方向上都大于普朗克常数．如果电子被束缚在原子核附近，静电能随着电子和质子之间的平均距离成反比地减小。较低的静电能对应于较致密的原子，因此，电子位置的不确定性较小。另一方面，如果电子的动能较低，它的动量和动量的不确定性就必须很小。根据海森堡原理，动量的不确定度小，其位置的不确定度必然大，从而增加静电能。原子的实际结构提供了适度的动能和静电能的折衷，其中电子和原子核之间的平均距离是使原子的总能量最小的距离。

超越这个定性的论点，原子的定量性质是通过求解Schrödinger波动方程，它提供量子原子的力学描述。对于特定数量的电子和质子，这个方程的解称为a波函数并产生一组对应的态下．这些特征态是类似的到频率振动模态小提琴弦(例如，基本音和泛音)，它们形成了原子的允许能态的集合。原子电子结构的这些状态将在这里用最简单的原子，即氢原子来描述。

氢原子状态

的氢原子是由单个原子组成的质子还有一个电子．Schrödinger方程的解按特定的量子数特定电子态的。的主量子数为整数n这就相当于总收入能量状态原子的。氢原子的能态E_n等于−(米e⁴) /(2ℏ²n²) =−hcR_∞/n²,在那里米是电子的质量，e是电子的电荷，c是光速，h为普朗克常数，ℏ=h/ 2π,R_∞是里德伯常量．原子的能量规模，hcR_∞等于13.6电子伏特．能量是负的，说明电子被束缚在原子核上，这里的零能量等于无限电子和质子的分离。当一个原子形成过渡在能量的本征态之间E_米转化为能量更低的本征态E_n,在那里米而且n是两个整数，这个跃迁伴随着量子光的发射它的频率由ν =|给出E_米−E_n|/h＝hcR_∞(1 /n²−1 /米²)．或者，原子可以吸收a光子同样的频率，从能量的量子态中被提升E_n到一个更高的能态E_米．的巴耳末系1885年发现的数列，是第一个凭经验发现其数学模式的数列。该级数对应于谱线集合，其中转换是从激发态来的米= 3,4,5，…到特定的状态n= 2。1890年里德伯发现碱原子有一个类氢原子光谱这可以用级数公式来拟合只要稍微修改一下巴尔末的公式:E＝hν=hcR_∞(1 / (n−一个）²−1 / (米−b）²),一个而且b几乎是常数的数称为量子缺陷。