Л.Л. Гольдин, Г.И. Новикова - Квантовая физика. Вводный курс (1129347), страница 32
Текст из файла (страница 32)
Это не значит, конечно, что испускание фотона с отличным от нуля орбитальным моментом вовсе невозможно, но такое испускание крайне мало вероятно. Возникающая здесь степень запрещения по порядку величины равна 10", т.е. на 100 млн. атомов, испускающих фотон без орбитального момента, найдется всего один атом, испускающий квант «с края». Развитые представления позволяют понять, какие переходы в оптике возможны, а какие невозможны, т. е, понять п р а в и л а о т б о— !57 э ЗЗ. ПРлвилл ОЕБОРЛ ПРи излучении АтОмОВ р а при излучении.
Пусть атом до испускания фотона не имел момента (,Уггг = 0). Закон сохранения, момента позволяет утверждать, что после излучения момент атома,уггг окажется равным единице. Аналогичным образом в конечное состояние с 7„г .—.. 0 атом может перейти только из состояния с Тгг, = 1. Таким образом, если либо в начальном, либо в конечном состоянии 7 .=- О, переход возможен в том и только в том случае, если при излучении момент 7 меняется на единицу: В частности, невозможны так называемые 0 — 0-переходы из состояния с 7гг„— — О в состояние с,7„„=- О, У Рис.
59, Векторная модель сложения угловых моментов атома и фотона, Рассмотрим теперь случай, когда 7 ф О. Как видно из рис. 59, при сложении единичного вектора с вектором Д длина последнего может измениться на единицу или не измениться вовсе (никакие другие изменения из-за квантования 7 невозможны). Таким образом, возникает следующее правило отбора при излучении: (6.7) (6.8) Е1| =-:1, 0 при 1вгг ~ О, Тгог ф О, Аналогичным образом для квантового числа пт г найдем Е)гтз — -- +1, О. (6.9) Рассмотрим теперь векторы Я и Ь. Излучение света связано с электромагнитными свойствами электрона. Во взаимодействии с электромагнитной волной, вообще говоря, участвуют как заряд, так и магнитный момент атома. Испускание света возможно либо в результате изменения движения заряда (изменение 1), либо в результате поворота собственного магнитного момента (изменение Я), либо по обеим причинам сразу.
Расчет показывает, что для электромагнитного излучения, лежащего в оптическом диапазоне, взаимодействие фотона с зарядом электрона 158 Гллвх 6 оказывается гораздо сильнее взаимодействия с магнитным моментом, так что можно считать, что излучение не связано с магнитным моментом. Орбитальный и спиновый угловые моменты по-разному сказываются на электрическом и магнитном моментах атома, Орбитальный угловой момент влияет как на первый, так и на второй, а направление спина— только на магнитный момент.
Поэтому при испускании фотонов оптического диапазона вектор спина не претерпевает изменений, т.е. (6.10) Выведенные выше правила отбора по Т и Я определяют правило отбора по орбитальному квантовому числу и по его проекции: т.хт', = О, 1 с)ь! = +1 тать = О, ~1. при .~'яач Ф О, Гьон Ф О, при 1„.„= О или Аког. = О, (6.1!) 'Точнее — Лля Липольных электроыагннгных перехолов. П. Оже — французский физик, открывший и исследовавший этот эффект. Укажем в заключение, что переходы с М, =- О невозможны для атомов, в которых испускание света связано с изменением движения всего одного электрона, в частности для всех переходов в атоме водорода и водородоподобных атомах, а также в атомах с одним электроном сверх заполненных оболочек.
Появление этого запрета связано не с угловым моментом (сохранение которого определяет все остальные правила отбо[эа), а с законом сохранения четности волновой функции. Поскольку обсуждение этого вопроса выходит за рамки книги, указанное правило следует просто запомнить. Здесь следует еще раз подчеркнуть, что все полученные правила. отбора связаны со свойствами фотона и характерны лишь для электромагнитных' переходов. Если переход атома с уровня на уровень осушествляется не с помошью света, то правила отбора. оказывак>тся другими; часто опи вовсе отсутствуют или сводятся к утверждению, что переходы с большим изменением момента мало. вероятны, Подобная ситуация имеет место при возбуждении атомов электронным ударом в газовых разрядах, при тепловом возбуждении атома и т, д.
Скажем несколько слов о других способах, которые позволяют атомам избавиться от «лишней» энергии и перейти из возбужденного состояния в основное. Начнем с эффекта Ожей. Э ф ф е к т о м О ж е называется явление, при котором переходяший в нижнее состояние электрон пе излучает энергию, а передает ее другому атомному электрону.
Оже-переходы часто наблюдаются при заполнении свободных мест на внутренних 159 434. Оптичкскик спкктгы сложных хтомов оболочках. Атомные переходы при этом сопровождаются выделением заметного количества энергии, достаточного для того, чтобы удалить из атома один из внешних электронов. Так как энергия свободных электронов не квантуется, удаляемые из атома о ж е - э л е к т р о н ы могут уносить любое количество энергии, в частности, всю энергию возбуждения атома.
Другим важным примером атомных переходов, происходящих без излучения, являются переходы при так называемых у д а р а х в т о р ог о р од а. При обычных ударах кинетическая энергия сталкивающихся частиц частично расходуется на возбуждение атомов. При процессах второго рода один из сталкивающихся атомов (или оба) находится в возбужденном состоянии.
При ударе эта энергия увеличивает кинетическую энергию разлета атомов. Такие переходы всегда возможны, но оказываются существенными лишь в тех случаях, когда обычные переходы с испусканием фотонов в сталкивающихся атомах запрещены правилами отбора, т, е. эти атомы (или один из них) находятся в м етастабильном состоянии. ф 34. Оптические спектры сложных атомов Исследуем схему уровней и оптический спектр атомов гелия. Основным состоянием атома гелия является ~Во-состояние, оба электрона находятся на уровне 1з, а их спины согласно принципу Паули направлены в противоположные стороны, При возбуждении атомов один или оба электрона переходят на более высокие уровни. Мы ограничимся наиболее вероятными случаями, когда один из электронов остается на уровне 1з, а другой переходит в одно из возможных возбужденных состояний; в таких случаях перед обозначением состояния атома часто пишут значение главного квантового числа возбужденного электрона.
Гели один из электронов атома гелия находится не на уровне 1э, то его спин может быть ориентирован как антипараллельно, так и параллельно спину другого электрона. Схема уровней атома гелия и наиболее вероятных переходов между ними изображена на рис. 60. На шкале слева указаны энергии уровней, а справа — энергии возбуждения. Энергия ионизации атома равна 24,47 эВ. Рассмотрим сначала уровни, соответствующие состояниям с антипараллельной ориентацией спиноз электронов.
Для этих уровней Я вЂ . 0 и мультиплетность 2Я - 1 †.- 1, т.е. уровни являются одиночными (синглентными). Схема этих уровней изображена в левой части рис. 60. Уровни с различными значениями квантового числа 1 у возбужденного электрона разнесены в отдельные столбики. Сбоку от уровней 160 Гллвд 6 проставлены значения главного квантового числа п для этого электрона. Для уровня 1~Во, соответствующего основному состоянию атома, и для уровней 2гЯо и 2гРт в скобках указаны состояния обоих электронов. Кроме состояний, в которых спиновый момент атома гелия равен нулю, возможны состояния со спиновым моментом Я = 1 и мультиплетностью 23+ 1 =- 3 (триплетные уровни). Уровни, соответствующие этим состояниям, изображены в правой части рис.
60. Самым нижним из этих состояний является состояние 2~Яг (для соответствующего уровня в скобке справа указаны состояния обоих электронов). Состояние 1зЯз запрещено принципом Паули. Уровень 2зЯз является одиночным, как и все Я-уровни. Этот уровень расположен несколько ниже, чем уровень 2тЯо. энергия возбуждения для уровня 2~Яо равна 20,6 эВ, а для уровня 2зЯт — 19,8 эВ. Следующее состояние атома с Я = 1, когда первый электрон остается на 1з-уровне, а второй переходит на 2р-уровенгч состоит из трех близко расположенных уровней, так как при Я вЂ”. 1 и 1, —.. —... 1 вектор,7 может принимать три значения: О,! и 2. Соответствующие уровни имеют несколько различную энергию и обозначаются 2зРо, 2зРг и 2зРю Тройными являются также уровни 3~Рад г и 4зГе зть однако их расщепление незначительно и на схеме не обозначено.
Рассмотрим теперь электромагнитные переходы между уровнями. При таких переходах для квантовых чисел г и Я должны выполняться правила отбора (6.?), (6.8) и (6.(0). Лля орбитального квантового числа й должно выполняться правило отбора ЬВ = -1.1, так как при рассматриваемых переходах изменяется состояние всего одного электрона. Переходы, не запрещенные этими правилами отбора изображены на рис. 60 стрелками. Линии, соответствуюцгие этим переходам, действительно наблюдаются в спектре гелия.
Экспериментальные значения длин волн этих линий обозначены вдоль стрелок. Важной особенностью оптических переходов является их каскадный характер. Во многих случаях прямые переходы из возбужденного состояния в основное запрещены правилами отбора. Так, только один из уровней ЛХ-слоя (3'Рг) может евысветитьсяь сразу в основное состояние. Атомы, находящиеся в двух других состояниях (3'Яо и 3'Тяп), могут переходить в основное лищь в едва прыжка». Если атом гелия, находившийся в одном из высоких возбужденных состояний (например, в состоянии 3'Рт), после высвечивания оказывается в состоянии 2'Яо, то возвращение атома из этого состояния в основное путем испускания одного фотона оказывается невозможным'.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
