Д.В. Сивухин - Общий курс физики. Том 5. Атомная и ядерная физика (1121281), страница 16
Текст из файла (страница 16)
на основе комбинационного принципа. Все линии этой серии получаются путем комбинаций из линий серии Бальмера. Рассматриваемая серия в том жс году была обнаружена Пашеном (1865 — 1947) в инфракрасной области спектра. Четыре первые линии этой серии лежат в видимой области спектра и обозначаются через Н„, Нр, Н.„йе, остальные — в области ультрафиолета.
Иа этих четырех линиях Бальмером (1825 — 1898) в 1885 г. и была выявлена закономерность, выражаемая формулой (11.6). С этого началось систематическое исследование спектральных серий. Мы приводим схематическое изображение серии Бальмера (рис. 20). Таблица 2, в которой приведены вычисленные и наблюденные значения длин (Гл. П Строение, энергетические уровни и спектры атома Таблица 2 Длины волн бальмеровской серии водорода Серия Брзккета: /! йн1 —, — —,/, и=5,6,7, 1,4 пг) 1 Р= Л (11.8) Серия Пугунда: Л 5 (11.9) п=6,7,8, Эти серии лежат в далекой инфракрасной области спектра. Они были открыты в 1922 г.
и 1924 г. соответственно. Конечно, серия Брэккета получается путем комбинаций из линий серии Пашена, а серия Пфунда (1879 — 1949) из линий серии Брэккета. Максимальная длина волны для серии Лаймана получается при п = 2. Она равна Л = 4/3Бн = 121,56713 нм. Соответствующая линия называется резонансной линией еодороди Максимальная частота (волновое число) получи гся по формулам (11.5) — (11.9) при п = со.
Эта частота называется границей серии. Для серии Бальмера, например, граница серии равна 4 и = —" = 27419,69 см ~ или Л, = — = 364,70142 нм. 00 Йн При приближении к границе серии спектральные линии сгущаются разность длин волн между ними асимптотически стремится к нулю; стремятся к нулю и интенсивности линий. За границей серии спектр не обрывается, а становится сплошным. Эта закономерность проявляется в спектральных сериях не только водорода, но и других элеменгов.
Здесь также существуют границы серий, за которыми следует сплошной спектр. 8 12. Постулаты Бора 1. Законы классической физики, по существу, приспособлены для описания непрерывных процессов. Между тем резкость спектральных линий, испускаемых атомами химических элементов, указывает на то, что процессам внутри атомов свойственна известная прерывность или 6 12) Постулаты Боуи 65 дискретность. Наряду с непрерывностью дискретность должна быть отражена в основных физических законах. Это ясно понял Нильс Бор (1885 — 1962), сформулировавший в 1913 г.
два постулата. 1) Атом (и всякая атомн л система) может находиться не во всех состояниях, допускаемых классической механикой, а пуолько в некоторых избранных (квантовых) состпоявиях, характеризуют хая определенными прерывными, дискретными значену ями энергии сУу, йа, йз,,,, В этих состояниях, вопреки классической электродипамике, атом пе излучает. Поэтому они называются стационару~ими состоян ями. Квантовая механика, пришедшая на смену теории Бора, автоматически приводит к стационарным состояниям с дискретными уровнями энергии. Правда, она допускает и стационарные состояния с непрерывными уровнями энергии. Однако в последнем случае электроны н ядра не образуют связанную систему. По крайней мере нокоторыс из них движутся инфинитно.
В атомах же и молекулах составляющие их частицы связаны, т. е, движутся финитно. В этих случаях энергеч ические уровни дискретны, как того и требует первый постулат Бора (см. 3 13, п.3, а также э 22). Однако, как уже было упомянуто выше, постулат Бора в кванговой механике не является независимым утверждением. Он является следствием основных принципов квантовой механики. Сам Бор первоначально принял, что движение электронов в стационарных состояниях атомов характеризуется теми же понягиями и величинами, что и движение частиц в классической механике.
Иными словами, оно происходит по определенным траекториям и в каждый момент времени характеризуется определенными значениями координат и скоростей электронов. Такая точка зрения несовместима с основными принципами квантовой механики. Квантовая механика отвергает представление о траекториях, по которым якобы движутся электроны и другие микрочастицы (см. з 20). Поэтому мы, принимая первый постулат Бора, будем характеризовать стационарные состояния только значениями энергии, но не будем вводить никаких наглядных представлений о движении электронов в атомах.
2) При переходе из стационарного сосгаояния с большей энергией й„, в стационарное состояние с меньшей энергией й„„энерг л атома изменяется на й„, — йт. Если такое изменение происходит. из-за излучен я, то при этом испускается один фотон с энергией йр— = й (12. 1) Такое же соотношение справедливо и для случая поглощения, когда падающий фотон переводит атом с низшего энергетического уровня на более высокий, а сам исчезает. Соотношение (12.1) называется правилом частот Бора. 2. Таким образом, атомная система переходит из одного стационарного состояния в другое скачками.
Такие скачки называются квантовыми. Что происходит с системой во время скачка, т.е. между двумя последовательными стационарными состояниями, на этот вопрос теория Бора не давала ответа. Некоторые ведущие физики считали 3 д.в Сигугин Т Ч Строение, энергетические уровни и спектры атома ~Гл. П подобные вопросы принципиально не имеющими смысла, так как (по их мнению) они не допускают экспериментальной проверки.
Они выдвигали в качестве теоретико-познавательного принципа требование, чтобы наука не пыталась описывать явления природы способами, не допускающими экспериментальной проверки. Наука должна оперировать только тем, что принципиально доступно наблюдению. Но в такой общей формулировке это требование совершенно бессодержательно, из него нельзя получить ничего нового. Оно получило бы содержание, если бы было указано, что принципиально доступно наблюдению, а что принципиально недоступно. Но никакого общего критерия для решения этого вопроса заранее указать нельзя. На этот вопрос можег ответить только теория, а правильность последней контролируется опытом. Различные теории отличаются одна от другой, между прочим, том, как они решают поставленный вопрос.
Отказ теории Бора от ответа на вопрос, что происходит во время квантового скачка, указывает на ее недостаток, на ее неполноту. Однако если бы теория отказалась от рассмотрения конкретных явлений до решения этого вопроса, то она вне всяких сомнений оказалась бы бесплодной. Здесь дело обстоит так же, как с законом всемирного тяготения. Ньютон потому достиг успеха, что он сосредоточил внимание на выводе конкретных следствий из указанного закона, совершенно оставив в стороне вопрос о физической природе тяготения. 3. Возможны и многофотонные процессы, когда переход атома с одного уровня на другой сопровождается испусканием или поглощением не одного, а сразу нескольких фотонов.
Но такие процессы нелинейвы. Они могут происходить только в сильных полях, например в таких, которые возникают в гигантских импульсах лазерного излучения. Их мы рассматривать не будем. Наконец, возможны и беэыэлучательные переходы, когда энергия ныделяется или поглощается, например, не в виде света, а в виде тепла. Атом может совершить переход с одного уровня на другой нс обязательно в результате излучения или поглощения фотона, а, скажем, в результате столкновения с другой частицей. 4. Правило частот Бора (12.1) обьясняет комбинационный принцип Ритца. Из него для спектроскопического волнового числа р = р/с получается 1 Ф„, йт (12.2) Л ей сй ' Сравнивая это соотношение с (11.2),находим Тн = — —.
й (12.3) Терн самым раскрывается физический смысл спектральных терман. Они определяются энергетическими уровнями атома. Станови"гся понятным и другой экспериментальный резулыат, Если в спектре излучения атомарного водорода наблюдается серия Лаймана, то наблюдаются и все прочие спектральные серии: Бальмера, Пашена и пр.
Напротив, в спектре поглощения несветящегося атомарного 6 13) Спектр водорода 67 водорода наблюдается только серия Лаймана, а все прочие серии не наблюдаются. Дело в том, что для появления в спек гре излучения серии Лаймана необходима энергия, достаточная для удаления электрона с самого низкого энергетического уровня. При этом могут возбуждаться и вышележащие энергетические уровни, т.е. удаляться электроны с них, так как для этого требуются меньшие энергии. В результате станут возможными переходы между всевозможными энергегическими уровнями, т.
е. в спектре излучения появятся всевозможные спектральные серии. Иначе происходит со спектром поглощения. Если водород не излучает, то его атомы находятся в нормальном состоянии, т. е. на самом низком энергетическом уровне. На других уровнях атомов нет. Поэтому при поглощении света возможны только переходы с самого низкого энергетического уровня на более высокие. При таких переходах в спектре поглощения появится только серия Лаймана. Чтобы при поглощении возникли и другие серии, необходимо, чтобы уже до освещения были возбуждены и другие энергетические уровни.
Но тогда появится и спектр испускания рассматриваемого газа. Линии поглощения таких серий могут наблюдаться только на фоно спектра испускания газа. Поэтому необходимо, чтобы последние были менее яркими, чем соотвегствующие линии освещающего излучения. Аналогично ведут себя и спектры других атомов. 5. Совокупность значений энергии стационарных состояний атома с",ы ег, рз,... образует энергетический спектор атома. По классической теории излучаемые частоты атома (в простейшем случае одномерного движения) также можно представить в виде ряда рм рг, рз,..., перенумеровав их одним индексом.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
