A. Непрерывные спектры

Спектр энергетических состояний атома. Происхождение линейчатых спектров. Непрерывные спектры

Исследования спектров излучения разреженных газов (т.е. спектров излучения отдельных атомов) показали, что каждому газу присущ вполне определенный линейчатый спектр, состоящий из отдельных спектральных линий или групп близко расположенных линий. Наиболее изученным является спектр самого простого атома — атома водорода. Впервые И. Бальмер в 1885 г., изучая спектры атома водорода, обнаружил закономерность в расположении линий в видимой части спектра, частоты которых могут быть определены из соотношения

\(\nu = R \left( \frac{1}{2^2} - \frac{1}{m^2} \right),\) где \(m = 3, 4, \ldots,\) R — постоянная Ридберга (R=3,2 \(\cdot\) 10¹⁵ с^-1).

Все эти линии спектра водорода составляют серию Бальмера. Позже были установлены:

1) в ультрафиолетовой области серия Лаймана: \(\nu = R \left(\frac{1}{1^2} - \frac{1}{m^2} \right) ,\) где \(m = 2, 3, 4, \ldots;\)

2) в инфракрасной области 3 серии:

серия Пашена: \(\nu = R \left(\frac{1}{3^2} - \frac{1}{m^2} \right) ,\) где \(m = 4, 5, \ldots;\)

серия Бреккета \(\nu = R \left(\frac{1}{4^2} - \frac{1}{m^2} \right) ,\) где \(m = 5, 6, \ldots;\)

серия Пфунда: \(\nu = R \left(\frac{1}{5^2} - \frac{1}{m^2} \right) ,\) где \(m = 6, 7, \ldots\)

Таким образом, все спектральные линии в спектре водорода можно рассчитать по одной формуле, называемой обобщенной формулой Бальмера\[\nu_{kn} = R \left( \frac{1}{n^2} - \frac{1}{k^2} \right),\] где n имеет в каждой данной серии постоянное значение, \(n = 1, 2, 3, 4, \ldots,\) a k принимает целочисленные значения начиная с n + 1.

Наличие линейчатых спектров атома водорода можно объяснить на основании модели атома Бора. Каждая спектральная линия получается в результате того, что атом испускает фотон при переходе из одного энергетического состояния в другое. При этом разность между энергиями атома в начальном и конечном состояниях определяет частоту электромагнитного излучения, а следовательно, и положение данной линии в спектре. Придавая п в формуле (20.4) различные значения, можно получить ряд значений энергий стационарных состояний атома водорода (рис. 20.8).

Рис. 20.8

При возрастании числа электронов в атоме увеличивается число возможных энергетических состояний атома, богаче становится его спектр.

Оптические частоты (электромагнитное излучение оптического диапазона) связаны с переходами электронов, находящихся на внешних оболочках (валентные электроны).

Представим себе, что в многоэлектронный тяжелый атом каким-то образом попал электрон большой энергии, пролетающий вблизи ядра (рис. 20.9) (на схеме показаны не возможные орбиты движения электронов, а электронные слои). Он может выбить один из электронов глубинного слоя. Ион с вакантным местом в глубинном электронном слое энергетически невыгоден и долго существовать не будет. На место выбитого электрона придет какой-то другой электрон данного атома. Подобная замена может произойти так: на место ушедшего электрона приходит электрон из соседнего слоя, на его место — электрон из соседнего с ним слоя и т.д. (переходы 1, рис. 20.9). Каждый из таких переходов сопровождается соответствующим выделением энергии в виде фотона частоты, близкой к видимым. Такие почти одновременно выделяющиеся фотоны действительно наблюдаются.

Рис. 20.9

Но возможен и другой вариант замещения вакантного места, когда на него переходит один из далеких периферийных электронов (переходы 2, рис. 20.9). При этом энергия атома сразу весьма значительно изменяется, испускается один фотон, но гораздо большей энергии. Это характеристическое рентгеновское излучение.

Более сложный спектр, чем атомы, дают молекулы. Энергия молекулы складывается из трех составляющих: энергии электронов, энергии колебательного движения ядер атомов и энергии вращения ядер относительно общего центра тяжести. Все эти составляющие дискретны, и их изменение имеет квантовый характер. При различных сочетаниях этих трех квантованных составляющих энергии образуется весьма большое число возможных энергетических уровней молекулы. Отсюда большое число возможных переходов молекулы из одного состояния в другое. Так получаются полосатые спектры молекул, в которых каждая из полос состоит из большого числа близко расположенных линий.

В жидких и твердых телах, где частицы сильно взаимодействуют друг с другом, энергия каждой частицы включает в себя и энергию ее взаимодействия с другими частицами. Так как энергия взаимодействия частиц может иметь самые разнообразные значения, то вместо отдельных энергетических уровней образуются сплошные полосы возможных энергетических состояний. Поэтому и величина квантов излучения может быть самой различной, и спектр получается сплошным (непрерывным).

Литература

Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — С. 581-583.