氢原子能级跃迁探析 余清士（湖北大学附属中学 430062） 氢原子从低能级跃迁至高能级有两种方式：一是用光子照射使原子跃迁；另一是用实物粒子轰击使原子跃迁。这两种方式有何区别？许多学生搞不清楚，本文拟就光子、电子、原子等对基态氢原子作用后能否发生跃迁进行探讨。 根据光子说，光子是一份一份的，其能量也是一份一份的，每一个光子的能量为 E h ，是不能被分割的。用光照射使原子跃迁的实质是通过共振达到的，入射光的频率要满足选择性原则：要共振就必须使光子的频率等于n mE Eh，否则均不能发生共振，也就不能跃迁了。但应注意：若电子得到一定的能量，彻底摆脱原子核的束缚而成为自由电子，这种情况称为电离，所需要的能量叫电离能。电离时，不受n mE E h 条件的限制，这是因为原子一旦被电离，原子结构即被破坏，不再遵守有关原子的结构理论。 实物粒子使原子跃迁不是通过共振而是通过碰撞来实现的。若二粒子碰撞时，如果有一部分平移能量转化为内部能量，使原子被激发，称作“非弹性碰撞”。我们又知道：一切碰撞过程须同时遵守能量守恒定律和动量守恒定律，违背其中之一的过程就是不可能发生的。即二粒子的碰撞不可能把它们的全部动能转化为内部能量，因为碰后必须保留一部分动能以满足动量守恒的关系。 一、非弹性碰撞时能量损失的计算 1、系统能量损失的一般计算 设氢原子的质量为 M，实物粒子的质量为 m，为简化问题：不妨假设氢原子原来处于静止状态。实物粒子与氢原子做对心非弹性碰撞，氢原子碰撞前后的速度分别为零和 V ；实物粒子碰撞前后的速度分别为0v 和 v 。以实物粒子和氢原子作为一个系统，应有： 2 2 20 01 1 1mv mv MV mv mv MV E2 2 2 式中 E 为原子内部能量的增量，即实物粒子与氢原子做非弹性碰撞损失的部分能量转化为氢原子的内部能量，使氢原子跃迁。 由上述两式消去 v 得： 2 2 20 0m M m V 2m v V m m M v 2M E 0 这是关于 V 的一元二次方程，为使为实数则方程系数应满足： 2 2 20 0 ( 2 v ) 4m m M
m m M v 2M E
0? m 201mv 1 m/ M E2 即：式中201mv2为外来实物粒子的动能，用0E 表示，则：0mMEEM （ ） 2、能量损失极值mE 的简化计算 完全非弹性碰撞（即碰后实物粒子与氢原子有共同速度）时，系统损失的能量最大，这个最大值称为“能量损失极值mE ”。 设实物粒子的质量为 m、动能为0E 、入射速度为0v ；氢原
