一个简单的原子物理实验──光吸收实验.PDF

一個簡單的原子物理實驗── 光吸收實驗 易台生 中央大學物理系 e-mail: tsyih@phy.ncu.edu.tw 小。而所謂的原子吸收截面就是針對特定能量的光 簡介: 子而言 ，它所看到的原子擋在面前的大小用面積來 原子物理的發展歷史已經超過百年。原子物理 敘述稱之。換言之，截面大的原子就表示這個光子 的發展稱得上是物理知識中比較精密而且成熟的一 與該原子有較強的相互作用，它的能量較容易被該 門。由於原子外圍的電子受到光的電磁場作用容易 原子吸收，用來改變原子的能階、將電子游離、或 起反應 ，誘發各式各樣的物理與化學過程，所以近 是和週圍的其他粒子交換能量種種物理或化學過 期的原子物理、分子物理的發展已經和光學密切結 程。吸收是所有這些過程的上游步驟或說是全部效 合，三者歸為一類學問了。它們的研究工作基本上 果的總成。 標榜在闡釋物理的基本定律、瞭解物質在原子和分 光吸收實驗本身已經有商業化的成套儀器多 子尺度的結構以及對外在因素的反應情形、並瞭解 年。在定性分析與定量分析上都是很好的工具。可 光的各個面向與物質的交互作用、以及研發嶄新科 是進入原子物理的領域裡就走了樣 。惰性氣體的實 技與精密工具。 驗沒有甚麼爭議，精密的程度每天在和理論工作競 原分子物理與光學涵蓋的知識既廣且深，非筆 賽，人力和儀器的需求量不是國內的規模可以參 者所能窺全豹。因此只能在此為各位讀者介紹我們 與，故此略過不表；提到金屬蒸氣的實驗結果就麻 所作的與原子物理相關的一個實驗 ；我會儘量由淺 煩大了 。細觀文獻記載，居然每個人作的結果都不 入深逐步解說，希冀各位讀後能對原子物理略有認 一樣。不同的方法結果當然不同；同樣的方法結果 識，能有一些印象留下，最好能引發學習的興趣， 也是不同。說來令人汗顏，近百年的歷史發展還不 將來投入這門研究領域作個生力軍。 能解決這一個簡單實驗帶來的矛盾結果。我自己的 原子的光吸收實驗本身是一個概念簡單的實 十來年經驗告訴我，這個實驗簡單 ，但要得到正確 驗。大致來說是利用一道光束通過待測物，穿透的 數據還真是很困難。詳情在後文中再說。 光強度比上入射的光強度正比於原子的吸收截面大 ■ 554 ■ 物理雙月刊（廿三卷五期）2001 年 10 月 圖一. 典型的光吸收實驗裝置示意圖 話說原子的能階結構是影響原子對光的吸收 界。其實多半不是連續游離那麼簡單的一回事[1] 。 能力的最重要參數之一。原子的波爾模型告訴我們 除了氫原子外 ，原子的電子都不止一個。當光 每當光子的能量等於原子的能階差時，光子會被吸 子的能量足夠游離一個電子時，它所帶的電場其實 收，讓原子轉換能階 。這是個共振現象，共振時原 看到了所有的電子和原子核的存在 。只是對不同的 子的吸收截面大增。但由於高能階的原子待不久， 原子核言，它外圍的電子遮蔽效果各不相同。於是 所以這個共振的規模是不可能無限