氫氣燃燒的實(shí)驗(yàn)探討

氫氣在空氣中燃燒火焰為什么會帶黃色？用什么方法可以把黃色火焰除去？對此，福建南平市三中葉永庚老師作了一些探討：

眾所周知，正常狀態(tài)下，原子處于最低能級，這時電子在離核最近的軌道上運(yùn)動，當(dāng)受熱或光照射，原子從相互碰撞或從入射光子中吸收能量，從低能級躍遷到較高能級，這時電子在離核較遠(yuǎn)的軌道上運(yùn)動。原子從低能級向高能級躍遷的過程吸收能量，原子從較高能級向低能級躍遷輻射能量。這種能量以光子的形式輻射出去便產(chǎn)生原子的發(fā)光現(xiàn)象。原子無論吸收還是輻射能量都等于原子發(fā)生躍遷時兩個能級間的能量差。

設(shè)氫原子從能級n躍遷到能級K（n＞K）時，輻射出的光子的頻率為v，根據(jù)氫原子的能級公式：

顯然，原子躍遷時的能級差越大，發(fā)射出的光子的頻率就越高，而光的顏色是由光的頻率決定的，不同的色光具有不同的頻率。根據(jù)光波動學(xué)說，光的頻率和光的波長的乘積等于光的傳播速度，所以，如果用v表示光的頻率，λ表示光在真空中的波長，用c表示光在真空中的速度，則vλ＝c。各色光在真空中的傳播速度相同，因此，光的頻率與波長成反比，即躍遷時的能級差越大，發(fā)射出的光子的頻率越高，光的波長就越短。有色光的波長如下表（表中單位為埃）：

氫氣在空氣中燃燒時，火焰的各個部分溫度不同，氫原子具有的能量也就不同，當(dāng)這些能量不同的原子回到低能級時，發(fā)射出的光的能量也就不同，因此，氫氣燃燒時會產(chǎn)生不同顏色的火焰。

氫原子光譜在可見光部分有H_α、H_β、H_γ、H_δ四條譜線，它們的波長分別是：H_α∶6562·　H_β∶4860·　H_γ∶4340·　H_δ∶4101·

這四條譜線中，只有Hβ譜線是藍(lán)光，要使氫氣燃燒的火焰呈藍(lán)色，就必須盡可能減少氫原子在燃燒時發(fā)生Hα、Hγ、Hδ譜線的躍遷，而使氫原子能量躍遷到產(chǎn)生藍(lán)光（Hβ譜線）的能級軌道上，是否可以通過控制火焰的溫度達(dá)到這個目的？

為此，我們設(shè)計了由氫發(fā)生器、洗滌、干燥、燃燒器組成的實(shí)驗(yàn)裝置。燃燒器由底部開口的試管、截流器、空氣調(diào)節(jié)器組成。燃燒器中試管用于把火焰與外界空氣隔開，達(dá)到減少熱輻射并把氮?dú)?、惰性氣體及部分水蒸氣排出試管外的目的；空氣調(diào)節(jié)器用于控制進(jìn)入試管內(nèi)空氣的流量，防止過量冷空氣把反應(yīng)生成的熱量帶走，造成火焰溫度降低；截流器的作用是降低從導(dǎo)管口溢出的氫氣的流速，保證導(dǎo)管口附近有一定濃度的氫氣。（燃燒器如圖所示）