光谱学和量子力学

在美国光学学会OSA成立的前几年，Niels Bohr提出了他的氢原子模型（图一），该模型解释了氢原子谱线的里德伯（Rydberg）公式，这个公式至少是第一个较为近似解。Theodore Lyman于1914年完成了以波长1216 Å（10Å=1nm）开始的氢的紫外辐射线的研究。

图一 氢原子模型

在第一次世界大战期间，光谱学几乎没有什么发展，但停战后不久，光谱学再次发展起来。1919年，多位诺贝尔奖得主的博士生导师Arnold Sommerfeld（图二） 发表了《原子结构与光谱线》(Atomic Structure and Spectral Lines)一书。William F. Meggers（后1949-1950年OSA主席）认为“我们对原子结构和光谱起源狭隘的知识可以扩展到如此之大的一本书中，这让光谱学家感到惊讶”。

图二 Arnold Sommerfeld

 

同年，Sommerfeld和另一位德国物理学家Walther Kossel发现了兰姆移位定律，该定律现在以他们的名字命名。定律指出，一个元素的单电离谱类似于元素周期表中它前面的元素的中性谱。同样，一个元素的双电离谱类似于它前面的元素的单电离火花谱，或者原子序数小于指定元素原子序数2的元素的中性光谱，中性谱通常是由电流通过蒸汽产生的电弧得到的；电离光谱来自于气体或蒸汽中电火花发出的光。

1922年，英国物理学家Alfred Fowler与Friedrich Paschen和Richard Goetze的德国团队发表了关于光谱单态、双态和三态的观测数据表，但没有根据还未完全成型的量子理论对其进行解释。同年晚些时候，西班牙人Miguel A. Catalan发表了他的研究成果，发现复杂原子的有一些谱线（图三），它们以一定的数值规律成群出现。他称这些群为“多胞胎”（multiplets），他们的发现引发了一个对最复杂原子光谱描述并且解释的时代，稀土元素是个列外。

 

图三 元素光谱

 

第二年，Sommerfeld提出了“内部量子数”，即现在所说的角量子数，由字母l和子层s、p、d和f表示。在OSA的期刊上，Sommerfeld还提出了中性氦原子的模型，自从玻尔解释氢原子以来，这一模型一直让科学家们产生疑惑。

然后在1925年，美国人Henry Norris Russell和 Frederick A. Saunders研究了钙的光谱，发现了自旋轨道耦合，现在称为LS耦合。这一突破在短时间内导致了重要的原子结构理论和原子光谱理论的大量产生。

 

Meggers列出了1925年一年的惊人成果：

 

•Wolfgang-Pauli关于等效电子的排布规则及泡利不相容原理；

•Friedrich Hund的一个确定的电子组态的所有光谱项中，自旋多重度最高的能态能量最低；

•George Uhlenbeck和Samuel Goudsmit确定了电子自旋对光谱复杂性的影响，以及他们对费米子半积分量子数的假设。

 

1925年,Werner Heisenberg和Erwin Schrodinger)乎同时提出了他们的矩阵力学、波动力学理论（量子力学中的一种形式体系），量子理论蓬勃发展。两年后，海森堡提出了他的不确定性原理，该原理部分地解释了谱线变宽的原因(但肯定不是唯一的原因)。