判断实物粒子使基态氢原子跃迁的依据是什么
1 问题的提出
使基态氢原子中的电子向外跃迁有两种途径,一是用光照二是通过具有一定动能的实物粒子的碰撞。用光子作用到氢原子上入射光的频率要满足选择性原则（光子能量超过电离能时除外）而实物粒子使原子发生能级的实质是通过碰撞来实现的但很多的教学参考书都普遍认为只要人射粒子的能量大于或等于氢原子两能级的能量差值其动能的全部或部分为氢原子吸收就可使原子跃迁，笔者认为这种说法欠妥。下面提出笔者的看法，不正之处还请各位同仁斧正。
2 实物粒子使基态氢原子跃迁的依据
2.1 实物粒子与原子碰撞问题包括：原子同原子、原子同分子（电子、质子、中子）的碰撞。当两粒子碰撞时，如果只有两粒子平移能量的交换，也就是说：内部能量不变，称为“弹性碰撞”，当两粒子碰撞原子或分子的内部能量有增减，也就是说：粒子的平移能量和内部能量有转变，这称为“非弹性碰撞”。如果一部分平移能量转变为内部能量使原子被激发，那就称为第一类非弹性碰撞。夫兰克-赫兹实验中的情况就是第一类碰撞例子。反之，在碰撞时原子或分子的内部能量减低放出的部分转变平移能量，那就称之为第二类非弹性碰撞。要想使基态氢原子中的电子向外跃迁应该是第一类碰撞。
2.2 笔者认为实物粒子与基态氢原子碰撞从而激发原子跃迁不仅与实物粒子的能量有关而且与实物粒子的质量有关
（1）若实物粒子是电子则只要入射电子的动能大于或等于氢原子两能级能量之差则跃迁发生、如果小于就不能发生。（2）若实物粒子是质子、中子、氢原子则要入射粒子的动能大于或等于氢原子两能级能量之差的两倍跃迁就发生、如果小于就不能发生。现证明如下：
实物粒子与原子碰撞，碰撞损失的动能转化为原子的结合能从而发生跃迁，因此被氢原子吸收用以电子跃迁的只是碰撞过程损失能量的全部或部分，而不是碰前实物粒子的动能的全部或部分。所有的非弹性碰撞中，完全非弹性碰撞损失的动能（ΔE）最多，若ΔE≥（En-Ek）则跃迁发生若ΔE≤En-Ek则跃迁不发生。
设实物粒子质量为m动能为E0，入射速度为v0氢原子原来处于静止状态，质量为M。则粒子与原子完全碰撞非弹性碰撞时应满足动量守恒和能量守恒
mv0=(M+m)v①
ΔE=12mv20-12(M+m)v2②
由①②得：ΔE=MM+mE0=E01+mM
可见动能损失最大值不仅与初动能有关，还与质量有关，对不同的入射实物粒子ΔE一般不同①如果是电子入射：因mM故可近似认为ΔEm=E0，因此只要入射电子的动能大于或等于氢原子的两能级能量差值就发生跃迁。②如果是质子、中子、或氢原子入射时，因m=M,故可知ΔE=E02因此E0≥2(En-Ek)才能发生跃迁。
3 实例分析
例1 原子可以从原子间的碰撞中获得能量，从而发生能量跃迁（在碰撞中，动能损失最大的是完全非弹性碰撞）。一个具有13.6eV动能、处于基态的氢原子与另一个静上的、也出于基态的氢原发生对心正碰，问是否可以使基态氢原子发生能级跃迁（氢原子能级跃迁如图所示）？
解析 运动氢原子的速度为v0，完全非弹性碰撞后两者的速度为v，损失的动能ΔE被基态氢原子吸收。若ΔE=10.2eV，则基态的氢原子可由n=1跃迁到n=2。
由动量守恒和能量守恒
mv0=2mv①
12mv20=12mv2+12mv2+ΔE②
12mv02=Ek=13.6eV③
ΔE=6.8eV<10.2eV
所以不能使基态氢原子发生跃迁
例2 要使基态氢原子被激发下列措施可行的是：
A.用10.2eV的光子照射
B.用11eV的光子照射
C.用10.2eV动能电子碰撞
D.用10.2eV动能质子碰撞
E.用20.4eV动能氢原子碰撞
解析 氢原子基态与第一激发态的能量差值为10.2eV，由吸收光子的选择性原则可知（A）措施可行（B）不行根据实物粒子使基态的氢原跃迁的依据可知（C）、（E）措施可行而（D）不行。
参考文献：
［1］褚圣麟《原子物理学》高等教育出版社，1976年6月第1版
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。
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