光谱劈裂现象与精细结构常数的关系

精细结构常数是量子电动力学中一个重要的无量纲（无单位）的常数，它是说，把电子绕氢核运转时在第一轨道上的速度V1与真空中的光速c之比叫“精细结构常数”，用a表示，即a=（V1/c）=1/137。这个数是怎么算出来的呢？根据玻尔的氢原子模型，氢原子的核外电子不是在核外作连续轨道运行，所以原子发出的光谱不是连续光谱，电子是在核外一些可能的轨道上运行，而这些电子的轨道半径是量子化的，即Rn=（4πε0n2h2）/（4π2me2），（n=1，2，3，…），这里的n取正整数。也就是说，电子只能在这些n取正整数的轨道上运转，而不能在任意轨道上运转，更不能在连续轨道上运转。不但电子的轨道是量子化的，原子的能量也是量子化的，并且电子处于一定的轨道，原子就处于一定的能量状态，这叫“能级”，一定的电子轨道对应一定的原子能级。如果电子在某一轨道上，吸收了一定的能量，它就会跳到更高能量的轨道上去，这叫“跃迁”，吸收的这份能量，等于两个能级间的能量差。让白光照射装有氢气的瓶子，就会在光带上出现相对应的几个暗线条，这些暗线条是吸收光谱，是氢原子吸收了它们需要的两个能级差之间的能量。

如果电子由高能级跃迁到低能级，就会放出一份能量，正好等于两个能级的能量差，而这份能量差正好以一个光子的形式发出，这就是发射光谱或明线光谱，所以我们看到的氢光谱就是那么几个明线条，而不是连续的，在可见光范围共有4条，分别叫Hα，Hβ，Hγ，Hδ，所以我们用吸收光谱和发射光谱都可以分析物质的元素成份就是这个道理，所以用光谱分析物体的化学成分是很准确的，并且不需要破坏物体的结构。当我们观察太阳光谱时，得到的也不是连续光谱，而是有很多暗线条，这是因为太阳内部发出的光，被太阳表面的某些物质吸收了，这样我们就可以知道太阳表面的物质分布了，所以光谱分析既方便又准确的（详细图解见附录图10）。在附录图10中，第一排为连续光谱，就是让白光通过三棱镜得到的在可见光范围内的各种颜色的光；第二排是氢气燃烧时发出的在可见光范围内的四条谱线，是氢气直接发光，所以又叫“发射光谱”或“明线光谱”；第三排是钠在燃烧时的发射光谱，它是黄光区域上两条靠得很近的谱线；第四排是白光通过钠蒸汽后被纳吸收了的两条光线，说明同一种元素的发射光谱和吸收光谱是相对应的，位置是相同的，所以用发射光谱和吸收光谱都可以对物体所含成分进行光谱分析；第五排是太阳的吸收光谱，把它与某物质的谱线相对照，如果对上了，就说明太阳表面含有这种物质。

在上面的公式中，我们还可以得到电子在氢原子核外的最小半径上的速度V1=2πe2/4πε0h。于是我们得到精细结构常数：a=e2/（2ε0h）=1/137.03599913。这样算出的氢原子核外第一轨道上电子的运行速率大约是两千多米每秒。(www.xing528.com)

玻尔理论很好地解释了氢气燃烧的发光原因，理论计算值与实验值符合得非常好。但是，用它来分析其他元素的发光却遇到了困难。例如，氦、钠等元素，后来科学家研究进一步发现，每一条谱线都是由两条或几条靠得很近的光线构成的。为什么会这样呢？有科学家解析，因为电子在一定的轨道上运转时，这就相当于有了电流，而电流会在周围空间产生磁场；反过来，磁场又会对电流（即电子速度）产生影响，同时，电流的磁场遵守右手定则，所以电流方向不同造成的磁矩方向也不同，这样就会对电子跃迁时带走的能量发生微弱的变化，使原来的一条光线劈裂成相距很近的两条光线，这就是光谱线条“精细结构”的原因。在太阳和恒星的光谱中都有这种劈裂现象，劈裂的宽度与精细结构常数a有关，这就是“精细结构常数”之名的来由。

精细结构常数解释了光谱分析中的许多疑难问题，但也有很多难点没有搞清，例如，为什么这个常数是1/137.03599913，如果不是这个数，而是别的数，如1/138，又会怎么样呢？当然有人会说，它是根据公式算出来的，但在公式中，我们发现它为什么与电子电量e有关，特别是与真空介电常数ε0有关，而且还与普朗克常量h有关；还有人提出，它可能还会与引力常数G有关；更有人认为a并不一定是个永恒的常数，并有人测出了它在几十亿年前并不是这个数，比现在要略为少一点，正以约每年3万亿分之一的速度在增加，而时空几何性质和引力常数又不允许精细结构常数随时间而增加。结论到底如何，这还是要看以后的研究情况。