Ландсберг Г.С. - Оптика (1070727), страница 159
Текст из файла (страница 159)
ХХХУШ. ИЗЛУ'-1ЕНИЕ А'ГОМОВ И МОЛЕКУЛ когда обнаружилось, что открытые позже линии водорода, лежатцие в ультрафиолетовой и инфракрасной частях спектра, также укладываются в аналоги 1ные формулы, а именно: серия Лаймана (в далекой ультрафиолетовой области) — в формулу 6~=)).( — ', — — ',) )„='4,6,4); (666.6) серия Пашена (в близкой инфракрасной области) — в формулу 44=44( —, —,) )т=4,6,6,7,6); (206.6) серия Брэккета (в более отдаленной инфракрасной области) — в фор- мулу М = В ( —, — —,) )~и = 6,6): 1 1 (205.4) Рис. 38.2. Фотография линий серии Бальмера Успех Бальмера направил внимание исследователей на поиски сериальных зависимостей в спектрах других веществ. В первую очередь были исследованы спектры щелочных металлов, затем тцелочноземельных и некоторых других элементов. Несмотря на трудность серия Пфунда (еще дальше в инфракрасной области) — в формулу .)'1 = д ~ — „— — ) (ги = 6, 7).
~,52,.„2) Все линии водородного спектра можно, следовательно, разделить на ряд серий, обьединяемых общей формулой: 6 =))( — ', — — ',), )666.6) где и = 1,2,3,4,5, п6 — целые числа, причем т > и, а Š— одна и та же постоянная, упоминавшаяся вьппе. Число г1 определяет серию, л6 — отдельную линию этой серии; при и = 1 получаем серию Лаймана, при и = 2 — серию Бальмера, при и = 3 — серию Пашена, при 1 = 4 — серию Брэккета, при п = 5 — серию Пфунда. На рис.
38.1 схематически изображен полный спектр водорода и отдельные серии, на которые его можно разложить. Каждая серия состоит из ряда линий, расстояния между которыми, как и следует из формулы6 уменьшалотся в сторону коротких длин волн. Постепенно увеличиваясь, частоты линий стремятся к определенному пределу, величину которого легко найти из сериальной формулы. Иногда наблюдается слабый сплошной спектр, примь1кающий к границе серии со стороны болыпих частот. На рис. 38.2 приведена фотография линий серии Бальмера. 652 люминесценция расшифровки, и здесь были найдены серии, и, что очень важно, полученные формулы очень напоминали сериальную формулу для водорода. Отличие сводится к поправочным членам о и Д, имеющим для водорода значения, равные нулю: Л = В, —, (205.6) Каждому элементу соответствует несколько таких поправочных членов, с помощью которых можно выразить все характерные для данного элемента серии.
Так, например, для натрия эти поправки имеют значения — 1,35, — 0,87, — 0,01 и О, так что все четыре известные серии натрия выражаются в виде 1 1 Х=Л, ~, пг=4,5,6,... (резкая серия), (3 — 0 87)- '(т — 1 35)~ Х вЂ” Л, т — 3,4,5,... (главная серия), 1 1 1 1 Х=Л, т.=3,4,5,... (диффузная серия); ((3 — 0,87)~ (т — 0,01)~ 1 Х = В, — — ), т, = 4, 5, 6,... (фундаментальная серия). Как мы видим, и во всех сериях равно 3, а пг принимает целые значения > 3.
Поправочные члены входят в различных, хотя и не во всех мыслимых комбинациях (правила отбора). Л имеет почти то же значение, что и в серии Бальмера. Более тщательные измерения показывают, что В слегка увеличивается по мере возрастания атомного веса, имея для водорода значение 109678 см, а для наиболее тяжелых атомов — 109737 см причем, начиная примерно с хлора, нарастание Л практически уже незаметно. В частности, для натрия В~ = 109735 см Спектры щелочных и щелочноземельных металлов и других элементов гораздо сложнее спектра водорода. Одним из отличий, имеющих место и в других сложных элементах, является мультипгетный характер линий: линии состоят из нескольких (две, три и более) компонент с близкими значениями частот.
Частоты отдельных компонент также подчинены определенным закономерностям. Разыскивать закономерности в таких сложных спектрах нелегко, и это явилось в значительной степени делом догадки и остроумия. Благодаря работам Ридберга и других выяснились некоторые правила, помогающие обнаруживать и выделять отдельные серии. В настоящее время теория атома позволила обосновать многие такие правила. И частности, принадлежность линии к той или другой серии можно установить по характеру аномального расщепления в магнитном поле (см. 3 172).
Исследования Ридберга (1890 г.) выяснили универсальность постоянной В и возможность представления отдельных частот двучленными формулами приведенного выше типа, т.е. в виде разности двух 1'Л. ХХХУП1. ИЗЛУ'-1ЕНИЕ А'ГОМОВ И МОЛЕКУЛ членов (тиврмов). Кроме того, оказа.лось. что различные термы (зависящие от а и ~3) могут комбинироваться попарно, давая начало новым сериям (комбинационный принцип Ритца, 1908 г.). Таким образом выясняется, что физический смысл имеет омеппо терм. Особенности атома проявляются в поправочных членах сериальных формул и в мультиплетности линий (точнее, термов).
Установление сериальных закономерностей, связь между сериями (принцип Ритца), универсальность постоянной Ридберга -- все свидетельствовало о глубоком физическом смысле открытых законов. Тем не менее, попытки установить на основании этих законов внутренний атомный механизм. обусловливающий найденные закономерности, потерпели решительную неудачу.
Было ясно, что каждая серия полностью вызвана одним и тем же механизмом. Между тем трудно представить себе возможность излучения целого ряда частот таким простым атомом, как, например, атом водорода. Известны, конечно, типы механических излучателей, дающих ряд колебаний, например струна, Однако спектр такого излучателя состоит из основной частоты и ее обертонов, представляющих целые кратные от основной, даже отдаленно не напоминая закономерностей, наблюдаемых в спектральных сериях. Были попытки придумать такие типы излучателей, которые давали бы частоты, связанные формулами, аналогичными формулам спектральных серий (Ритц, закрепленные мембраны). Но попытки эти кончились неудачей.
Ритц показал, что классическими законами колебательных систем нельзя обьяснить законы спектральных серий. И действительно, решение задачи было найдено в 1913 г. Бором путем привлечения для объяснения атомных закономерностей теории квантов; таким образом, оказалось, что классические законы, установленные в макроскопических явлениях, недостаточны для объяснения строения атомов. 8 206. Модели атома Дж. Дж. Томсона и Резерфорда Вся совокупность наших сведений об оптических явлениях, и в первую очередь эффект Зеемана, свидетельствует, что излучение света обусловлено процессами, в которых принимают участие электроны, входящие в состав атома. Для обьяснения линейчатого спектра, испускаемого изолированным атомом, следовало предположить, что электрон в излучающем атоме совершает (почти) гармонические колебания, которые согласно классическим законам и обусловливают почти монохроматическое излучение.
Поэтому на основании вида атомных спектров следовало предположить такое устройство атома, при котором электроны, входящие в его состав, способны совершать гармонические колебания, т.е. удерживаются около положения равновесия квазиупругой силой вида ~ = — кт, где к — постоянная, а т — отклонение электрона от положения равновесия. Исходя из закона взаимодействия точечных электрических зарядов (закон Кулона), можно было бы представить себе модель атома, удовлетворяющую такому требованию.
Согласно этой модели, пред- люминале цннция ложеннойл Дж. Дж. Томсоном (1903 г.), атом представляет собой равномерно заполненную положительным электричеством сферу, внутри которой находится электрон. Если заряд электрона равен положительному заряду сферы, то такой атом будет нейтральным, а сила, действующая на электрон при его смещении, подчиняется закону квази- упругой силы.
Попытки интерпретации сериальных закономерностей в спектрах испускания и поглощения атомов, а также анализ результатов исследования теплового излучения, фотоэффекта и ряда других явлений (см. главы ХХХ11 — ХХХХХ'1) привели к радикальному пересмотру представлений о законах, управляющих поведением микросистем— атомов, молекул и т.п., и имели чрезвычайно важное значение для физики в целом. В этой связи большой интерес представляет процесс становления квантовой теории, и в последующих параграфах (см.
~ 207 — 209) рассматриваются основные этапы развития квантовых идей в спектроскопии. Однако для объяснения спектральных закономерностей модель Томсона оказалась совершенно непригодной. Более того, исходные соображения Томсона относительно характера распределения положительных и отрицательных зарядов в атоме не покоятся на базе какого-либо прямого опыта. Поэтому следует признать важнейшим шагом вперед попытку непосредственного опытного зондирования внутренних областей атома с целью установления пространственного распределения зарядов в атоме. Попытка подобного рода была предпринята еще Ленардом (1903 г.), который изучал прохождение быстрых электронов через материальные тела и пришел к выводу, что атом нельзя представлять себе состоящим из заряженного вещества, равномерно распределенного по всему его объему, а скорее следует приписать ему ажурное строение.
К тем же заключениям, но гораздо более обоснованным и количественно уточненным, пришел позже (1913 г.) и Резерфорд, предпринявшийл исследование «внутренности» атома более мощными средствахли. В качестве зонда для прощупывания атома Резерфорд выбрал а-частицы, т.е. быстро летящие ионы гелия с атомным весом 4 и двойным элеллентарным зарядом, выделяющиеся при радиоактивном распаде сложных атомов.
Так как а-частицы представляют собой сравнительно тяжелые частицы (атомный вес их равен 4, т.е. масса 6,65 10 ~~ г), летящие с больплойл скоростью (до 1/15 скорости света), то кинетическая энергия отдельных а-частиц весьма значительна. Это делает возможным непосредственное наблюдение на опыте отдельных а-частиц. Действительно, существует несколько методов таких наблюдений. Простейшим из них является метод сцинтилл.яций, основанный на способности а-частицы при ударе о фосфоресцирующий экран вызывать вспышку, достаточно яркую для наблюдения при помощи лупы.
Можно также непосредственно наблюдать путь а-частицы в виде узкого пучка тумана в камере Вильсона. Пользуясь возможностью наблюдения отдельных а-частиц, Резерфорд исследовал (по методу сцинтилляций), каким образом меняется направление полета а-частиц при прохождении их сквозь слой какого- либо вещества (рассеяние а-частиц). 655 ГЛ. ХХХУП1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
