量子世界的条形码：原子光谱

如果我们渴望发现外星生命的踪迹，那么寻找他们留下的“气息”或许是最佳途径。外星生命的第一个迹象很可能是遥远系外行星大气中的非自然气体成分。当我们观察到一个系外行星，发现其大气层中的气体比例无法仅通过化学定律来解释时，这便是一个生物特征的强烈指示，表明至少存在微生物生命。但我们如何知道遥远的行星大气层中存在哪些化学物质呢？答案是原子光谱。

当我们观察到一颗行星从其恒星前经过时，恒星的光会被大气中的元素以一种特定模式吸收，形成了原子吸收光谱。每个元素都有一个特定的模式，就像条形码一样。因此，通过精确分析这些光谱，我们可以得知大气中存在哪些气体，以及它们的比例。我们已经将这种技术用于其他空间物体，如恒星和星云，帮助我们测量温度、密度、电离和相对速度等特性。我们可以观察深空并得到这么多信息，仅仅是来自光，它就像物理定律给我们的一份礼物。

有两种原子光谱：吸收光谱和发射光谱。吸收光谱是光源位于气体后面，气体吸收并散射某些波长的光，在恒星光谱中留下暗线。相反的是发射光谱，它是相同的过程，但从不同的角度看。

在原子光谱中，为什么我们会得到这些非常具体的线？为了回答找个问题，我们需要深入研究量子力学的世界。在量子力学的世界中，光的吸收和发射是由原子中电子的能态决定的。电子只能存在于特定的能态中，这些离散的能态是由电子的波函数决定的，而波函数只能在原子约束中的特定频率存在。

当光照射到原子上，如果其能量与电子能级差匹配，电子便会吸收光并跃迁到更高的能态，然后再跳回较低的能态，并随机方向发射光。这就是我们在吸收光谱中看到的暗带，因为电子吸收光，然后将其大部分发射到与原始光不同的方向，因此我们在特定方向上就看不到光的这些频率。相反，发射光谱是由这些发射光组成的。

上图是氢的发射光谱的一部分，我们注意到有三组谱线。第一组称为莱曼系，它是电子由所有高能态跃迁到基态产生的。其他线系以类似方式，从高能级跃迁到比基态更高一点的能级。请注意，我只使用氢作为例子，因为它只有一个质子和一个电子，所以它有一个相对简单的光谱，而其他元素的光谱更加复杂。

现在我们已经了解了原子光谱的基础知识，但精细结构和超精细结构也值得了解。如果您仔细观察谱线，就会发现它们通常由两条或更多条非常接近的谱线组成。到目前为止我们讨论的原子光谱是一个理想化的模型，但是当你添加电子的自旋和相对论效应时，你会得到能级的精细结构分裂。除此之外还有超精细结构，这是由电子和原子核之间的相互作用引起的能级微小分裂。

现在重要的是要注意到目前为止我所描述的并不是光与物质相互作用的唯一方式。您还应该了解其他一些方式，最常见的是散射。当光照射到电子上时，电子可以自由摆动，称为散射。集会散射你不需要量子物理学的规则来描述它，这是光作为振动电磁波的经典效应，它与电子的电荷相互作用，导致它们摆动，然后它们成为更多电磁波的振荡源。

现在需要注意的是，到目前为止我所描述的并不是光与物质相互作用的唯一方式。除了之前提到的吸收和发射，散射也是一个常见的相互作用方式。散射不需要量子物理学的规则来描述，它是光作为振动电磁波的经典效应。光与电子的电荷相互作用，导致电子摆动，并成为新的电磁波的源头。

我们所熟知的一种散射是瑞利散射，它是导致天空呈蓝色和日落呈红色的原因。拉曼散射是另一种散射形式，当光照射在分子上时，分子可以以不同的模式振动，产生独特的拉曼光谱。此外，还有布里渊散射，当光与固体原子晶格中的振动波相互作用时，光会失去或获得能量。这些散射现象都有助于我们理解物质的性质。

原子光谱的应用非常广泛。在天体物理学中，我们利用它来分析恒星和星云的成分。在化学实验室，原子光谱用于确定样品的成分。超精细结构的研究可以通过核磁共振等技术深入到原子核层面。