Л.Л. Гольдин, Г.И. Новикова - Квантовая физика. Вводный курс (1129347), страница 33
Текст из файла (страница 33)
Переход в основное состоя- 'Этот переход запрещен сразу двумя прввиламн отбора. Поскольку в начальном (и в конечноьй состоянии атома з = О, разрешены только переходы с Ь,У = 1, а в вашем случае Схз = О. Кроме того, как и ао всех однозлектронных переходах, запрещены переходы сжлдх 161 а 34. Оптические снектаы слОжных Атгкмов Е"', эВ Е"'", ЗВ 24,47 о 22 20 -10 — 12 12 10 — 16 — 20 — 24 — 24.47 Рис.
60. Схема уровней в переходов в атоме гелия. 162 Глдвд 6 ние возможен только путем испускания двух фотонов одновременно или при столкновении атомов. Поэтому 2~Во-состояние оказывается долго- живущим или, как говорят, метастабильным. Излучательные переходы между триплетными и синглетными уровнями запрещены правилом отбора по спиновому моменту и осуществляться не могут . Спектры гелия распадаются поэтому на два семей- 1 ства — на переходы между синглетными и переходы между триплетными уровнями. Излучательные переходы между синглетными термами гелия образуют ту часть спектра, которая называется спектром и а р а г е л и я; липин спектра парагелия одиночные.
Гелий в триплетных возбужденных состояниях называют о р т о г е л и е м; спектр ортогелия состоит из узких триплетов. Нижнее триплетное состояние 2зЯт расположено значительно выше основного состояния 1'Ьо, однако переход с испусканием фотонов между этими уровнями запрещен, и состояние 2зЯг также является метастабильным. В отличие от метастабильного уровня 2гЯо здесь невозможны и переходы с испусканием двух или нескольких фотонов, Переход из этого состояния в основное возможен только при ударах второго рода. Отметим, что спектры ионов, у которых в атомной оболочке име- ютсЯ всего два электРона (з12, аВез+ и т.д.), сохРанЯют особенности спектра гелия. Наличие двух наборов термов (синглетных и триплетных) наблюдается также у многоэлектронных атомов с двумя валент- ными электронами (например, у атомов шелочноземельных элементов) и у сходных с ними ионов.
Перейдем теперь к атому лития. Основным состоянием атома лития является, как мы знаем, состояние 2зЯ, са(1зз2з). 2з-электрон связан с ядром гораздо слабее, чем 1я-электроны, поэтому легче всего осуществляются переходы, связанные с возбуждением 2з-электрона. Оптический спектр лития связан с переходами этого валентного электрона. На рис. 61 изображена схема уровней атома лития.
Так как при одноэлектронных переходах в атомах должно выполняться правило отбора сд1. = +1, то снова удобно раздвинуть уровни Я, Р н т.д. в отдельные столбцы, как это и сделано па рисунке; при излучении могут осуществляться только переходы между уровнямн соседних столбцов. Как и во всех сложных атомах, уровни 2Я и 2Р у лития обладают различной энергией; различна энергия и уровней 35, ЗР и Здз и вообше у всех уровней с одинаковыми и„ но разными Ь. Я-уровни лития одиночные, а все остальные уровни из-за наличия спин-орбитальной связи мультиплетные. Так как спиновое квантовое число атома лития Я = 1У2, 'т1склвнснием является лишь слабый яинтеркомбинапионный» переход с Л вЂ”.. ос9.16 нм.
э 34. Оптические спек!'Ры слОжных АтОмОВ 163 то все эти уровни дублетные, Р-уровни являются совокупностью Р17зи Рз7а-УРовней. П-УРовни состоЯт из Рзуз- и Пауз-УРовней, и т. д. У легких атомов спин-орбитальпоо взаимодеиствие невелико, поэтому тонкое расщепление уровней оказывается небольшим и на схеме уровней не отражено. На рис. 6! стрелками изображены наиболее сильные переходы, не запрещенные правилами отбора ехь — — 1, !А.7 = О, х1. 1!Ниии, соответствующие всем этим переходам, действительно наблюдаются в спектре лития.
Из рисунка видно, что все линии сгруппированы в серии. Серия линий иР— 2О называется г л а в н о й серией; линии этой серии легко наблюдаются пе только в спектре испускания, но и в спектре поглощения лития. Экспериментальные значения длин волн линий этой серии обозначены на стрелках. Серия линий, соответствующая переходам между уровнями пЯ и 2Р, называется р е з к о й, серия !ТР— 2Р— д и ф ф у з н о й, Линии, возникающие при переходах 4à — ЗГ! и 5à — ЗГ1, относятся к фундаментальной серии.
В нижней правой части рис. 6! изображено спин-орбитальное расщепление терма 2Р и связанное с ним расщепление р е з о н а н с н о й линии, т.е. линии, соответствующей переходу между основным и нижним возбужденным состояниями. Как видно из рисунка, спин-орбитальпое расщепление линии невелико (ЬЛ = 0,015 пм), однако оно легко обнаруживается на опыте при исследовании оптического спектра лития спектрометром с высокой разрешающей способностью. Все остальные липин главной и других серий также не являются одиночными.
На схеме переходов указаны лишь усредненные по мультиплетам длины волн. Следует отметить, что с ростом У величина спин-орбитального расптепления уровней, а следовательно, и спектральных линий растет и у тяжелых атомов становится весьма значительной, Схемы уровней других щелочных атомов, у которых, как и у лития, сверх заполненной р-оболочки находится только один з-электрон, очень похожи на схему уровней лития; разница заключается в том, что оснонным состоянием натрия (х = 11) является 33!~э-состояние, основное состояние калия (2' = 19) — 4Я!7ю рубидия (2' = 37) — 5Я!7я, цезия (У вЂ”. 55) — 65! !з и франция (Л =- 87) — 7Я!7з. Различны, конечно, и энергии уровней.
Энергия ионизации этих атомов монотонно уменьшается с увеличением л. Характер спектров полностью сохраняется. В спектрах всех щелочных элементов (и схожих с ними ионов) различают главную, резкую и другие серии. Особенно хорошо изучен оптический спектр натрия. Знаменитый резонансный «желтый дублет» натрия (рис, 62) явился первым экспериментальным указанием на существование у электрона собственного углового момента — спина. 16Л Глава 6 5.39 — 6,39 Рис. 61.
Схема уровней и оптических переходов в атоме лития 5-уровни являются синглетными, а все остальные — дублетными. В нижней правой части рисунка без соблюдения масштаба показана структура 2Р-уровня и резонансной линии. Для всех остальных линий указано среднее значение длины волны мультиплета. 165 З 34. Оптичгскив спвкт.
ы сложных атомов Строение атомов щелочных элементов (и сходных с ними ионов Ве+, Мд+, Сае и т.д,) напоминает строе- «в «ь + ние водородоподобных атомов. У воя «м дородоподобных атомов единственный ф эж электрон движется в центральном поле ядра, а в атомах щелочных элементов последний, слабо связанный с атомом Рис 62 Схе а переходов со- электрон движется в поле «атомного ответствующих желтому дублету остаткагч состоящего из ядра н Я— натрия.
— 1 электрона. Атомный остаток имеет структуру благородного газа и представляет собой очень устойчивое образование. Поэтому многие свойства атомов щелочных металлов похожи на свой- ства атома водорода. Но между атомами щелочных металлов и водоро- доподобными атомами имеется и существенное различие. В атоме водо- рода электрон движется в поле точечного заряда, в то время как «атом- ный остаток« щелочных металлов отнюдь не является точечным, Волно- вые функции валентного электрона в разных состояниях, как мы знаем, имеют различное пространственное распределение; поэтому энергия ще- лочных атомов зависит от орбитального квантового числа 1 валентного электрона.
Для расчета энергии уровней; в щелочных металлах можно применять формулу 1 Е = — Л1 Уээя "(и — А)з (6. 12) Формула (6.12) очень похожа на (5.12) для энергия водородоподобных атомов. Здесь, так же как и в (5.12), Лз = «пе«~2йв =- 13.,6 эВ, а и,— главное квантовое число оптического (валентного) электрона. У,ез равно единице для щелочных атомов, двум для однозарядных ионов типа «Вез, трем для двухзарядных ионов таких, как зВ~~, и т. д, Поправка к главному квантовому числу .Ьп называется к ва итоны м де фе к том и учитывает зависимость энергии уровней от орбитального квантового числа. Тонкого расщепления уровней (6.12) не учитывает. Формула (6.12) может быть использована для вычисления волновых чисел и длин волн спектральных линий атомов щелочных металлов и похожих на ннх ионов. При расчетах нужно знать значение поправок «1ч.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
