Вихман Э. Квантовая физика (1185110), страница 26
Текст из файла (страница 26)
Заметим, однако, что в общем случае мы нс будем наблюдать спектральных линий, отвечающих всем возможным парам уровней, и в этом смысле рис. 6А ошибочен. Позже мы вернемся к этому обстоятельству, имеющему болыпое значение. Создание схемы уровней позволяет упорядочить кажущийся хаос наблюдаемых спектральных линий.
Рассмотрим некоторые атомные, а еще лучше молекулярные спектры типа приведенного на рпс. 6В. На этом рисунке, изображающем спектр молекулы углерода, виден ряд полос. Изучая этот спектр с помощью прибора, об.тадающего болыпим разрешением, мы обнарумшм, что полосы в действительности состоят из огромного числа близко расположенных спектральных линий. На первьш взгляд молекулярныя спектр кажется безнадежно сложным. Тем пе менее эту сложность можно упорядочптги в большинстве случаев удастся построить схему термов и объяснить с ее помощью каждую из наблюдаемых спектральных линий.
7. Вернемся к рис. 6А и предположим, что на нем показана схема уровней для атома. В этом случае типичные расстояния между уровнями будут иметь порядок электрон-вольта. Предположим, что мы изучаем спектр поглощения атома и используем источник света с непрерывным спектральным распределением. В этом случае в свете, прошедшем через поглощающий слой изучаемого нами моноатомного газа, появятся спектральные линии.
Допустим, далее, что газ достаточно холодный, т. е. находится, например, при комнатной температуре. В этом случае мы будем наблю- вв ~а 4 Г.э 5 ~ иа Ю Г 2 о о 2 "2 2 К 44- 22 [ с 2-:ы Ф Б ~о С 3 „х 222 2 2 Г 2 а2 2 2, 2 С2 27, ~3 с. 22 .О о ы' б '= 2,.
а 2 2 2 4 к -о 2 дать спектральные линии аз„, ат,а и «тна но остальные три линии не будут видны. Объяснение здесь весьма простое: подавляющее большинство газовых молекул находится в основном состоянии, и мы можем наблюдать лишь переходы из основного в одно из более высоких состояний. При увеличении температуры быстро возрастает вероятность обнаружить атом в одном из возбужденных состояний.
В томе тс этого курса *) сказано, что если газ находится при температуре Т, то отношение числа атомов в и-м возбужденном состоянии к числу атомов в основном состоянии равно (7а) Прп комнатной температуре, для которой н7' ж (1,'40) эВ, это отношение пренебрежимо мало. Поэтому холодный газ не испускает (видимого) света, если его атомы пе возбуждены каким-то другим способом. 8. Прн изучении спектра испускания атомарного газа, возбужденного внешним воздействием, например электрическим разрядом, можно наблюдать все указанные на схеме термов спектральные линни.
Если атом, первоначально находившийся в основном состоянии, сталкивается с электроном, имеющим большую энергию, последний может передать атому часть своей энергии. Это заставляет атом «перескочить» в одно из более высоких состояний. Отсюда апти может перейти на более низкие уровни. При этом будет испускаться свет. Само собой разумеется, чтобы такой процесс происходил, электрон должен иметь энергию, достаточную для перевода атома в одно из возбужденных состояний.
Если энергия электрона меныпе Е,— Е„то он может испытывать лишь упругие столкновения с атомами. При большей энергии становятся возможнымп неупругие столкновения, приводящие к испусканию света. Эта картина, а также постулаты, рассмотренные в п. 5, могут быть проверены экспериментально. Для этого просто нужно менять энергию возбуждающих атом электронов. По мере ее увеличения будет наблюдаться появление новых спектральных линий, На рис. 8А показаны результаты такого опыта для газообразной ртути. Мы видим, что при увеличении энергии электронов появляются новые спектральные линии и эти изменения спектра находятся в соответствии со схемой уровней, показанной на рис.
8В. 9. На рис. 9А показан результат аналогичного опыта. Пары ртути при низком давлении возбуждаются электронной бомбардировкой. Возбужденные атомы возвращаются в основное состояние, испуская фотоны, и их присутствие (в частности, «ультрафиолетовых» фотонов) можно наблюдать по току фотоэлектронов, который они вызывают, попадая на железный электрод. По мере увеличения энергии бомбардирующих электронов возбуждаются новые уровни, а) Редф Ф.
Статист«ческая фазака.— 3-е кза.— Мл Наука, !98б. !00 и поэтому возникают новые переходы. С возбуждением нового уровня внезапно увеличивается скорость испускания фотонов, и кривая на рис. 9А при соответствующей энергии обнаруживает резкий излом. Положение этих изломов можно сравнить со схемой уровней, показанной на рпс. 8В. й,в ' х ийя .С. 7(~ етйя~(„ . Эт (ЗД( т С(ща, ло(убл Лб.г 57ам ьз ь Рис. 8Л. Спектр атомов ртути, возбужденный столкновениями с электронами, при двух различных энергиях электронов (Нгг(а б. пьет с(с дпгсйнпй топ 5реыгз(пп(еп бнгс(т Е(ежгог еп-ыою.— 7* 1 рпуз, 1924, тс 22, р. 18!. когда энергия электронов возрастает от 8.7 эз (савва! до 9,7 эВ (справа(, поянляется ряд новык ливий, которых нс было нв левом снимке.
Числа в сиобках показывают энергию электронов, прв котороп впервые появилась линия. Дчииы волн даяы в ангстремах Рис. 8 В. Сильно упрощенная стезю уровпен нейтрального атома ртути. Приведены уровни, участвующие в переходах, показанных на рнс 8Д. Цифрм слева " знсогвя уровня, выра. женьяя в волновых числах; справа — энергии, выряженная в электрон-вольтах. Масщтаб яе соблюден.
Черточквив справа указаны уровни, зперюг! которых нс приве:(сны. На линиях, соединяющих > равен, дааы длани ! олн в ангстрсмах. Все переходм и: с сновной уровень отвечают ультрафиолетовой част!,спектра Показаны два таких яерехода(длины сали в скобках!.
Вти липин не видны в спектре. 1(ачало области непрерывного спектра наход!моя при 64 184 см ' (потенциал ио:ю !адни равен 18.! эВ! Трудно очень точно определить энергию бомбардирующих электронов, тем не менее такого рода опыты широко используются для изучения системы уровней атома. Кривая на рис. 9А позволяет установить приблизительное положение многих уровней. Эти опыты могут сопровождаться точным измерением длины волны испускаемого света. При этом можно установить, с какой энергией электронов впервые появляется данная линия, и таким образом мы получим информацию об уровнях, участвующих в данном переходе.
Дополнительные данные можно получить, изучая спектр поглощения. В этом случае нам известно, что нижним уровнем является основное состояние. Зап. 101 7565 77л.5чг 7бб(75 7(б57 7ЛЖ 7ХУ55 ЙЯУ о,щщ~,щщ~, ЛУ =: 855 = — Д77 У,55 Д77 555 855 йи Эти методы и множество других были использованы и используются сейчас, чтобы собрать огромное количество данных об атомных спектрах и энергетических уровнях атомов. 1О.
С помощью схемы уровней на рис. 6А легко понять явление флуорес((ен((ии. Фотон с энергией Е,— Е, поглощается находящимся в основном состоянии атомом, который переходит в состояние, ! 1ь" --+-л — ( Рис. 9А. Возбуждение зтомов ртути (геэ при давлении О.О(4 мм рт. ст. и тел!пературе 50 'С) электронными ударами (Ргапв 3, Е(пзрогя Е. ОЬег Гие Лпгейппйзро(еп((а)е без Онесйз))Ьегбашр(еэ — З .
!. РЬуз, ! 920, т. 2, р. ! 5!. Па осн абсписс отложена энергия электравов в двух различных масштабах, по оси ординат — интенсивность свете, испущенного атомамн ртути (см. теист). При увеличении энергии электронов возбуждаютсв новые уровни, с появлениеи которых внезапно мевяется наклон «Риной, так как новый уровень означает вазможность новых переходов и дополнительного числа ()оганов отвечающее уровню энергии Еэ. С этого уровня возможны переходы на уровни меньшей энергии, и мы можем наблюдать фотоны всех перечисленных в подписи к рис.
6А частот. Такая картина объясняет правило Стокса: частота испущенного при флуоресценции света не может быть больше частоты возбужс дающего света. Это правило имеет общий характер, но возможны некоторые исключения, если атомы, поглощающие свет, не находи. лись в основном состоянии. Рис. 11А. Схема уровней.
ва катарос показаны дискретныс уровни зяергвн и область непрерывного спектра (заштрихованос. расположенная вы ше энергии ионизапнн. Стреякамн показаны переходы между дискретными уровнянн и между последннмн и областью непрерывного спектра Штриховыс горизсслгльныс линни в .етой области ссответст уют ие опрсдетенным уровняьс. а зыбь двум из множества возможнык состоиний энергии системы электрон е ион В работе Эйнштейна *) о фотоэффекте обсуждалось также правило Стокса с точки зрения фотонных представлений.
В то время идея об энергетических уровнях еще не родилась, но это правило можно понять, исходя из идеи, что энергия испущенного фотона возникает из поглощенной энергии. 11. При определенной энергии возбуждения происходит ионизация атома. Это минимальная энергия, которую нужно сообщить атому для того, чтобы могли воз пикнуть электрон и однократно $ ф~ ионизованный атом, полностью изо- ш Еу лированные друг от друга.
При такой энергии и при еще более высокой «атом» перестает существовать как Е атом, но мы все еще можем рассматривать систему как состоящую из однократно ионизовапного атома и Е. с эчектрона. Такая система может иметь Е люэую энергию, ббльшую Е, (рис. 11А). Таким образом, набор возможных энергий атома состоит из ряда / дискретных уровней при энергии, мень.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
