Матвеев А.Н. Квантовая механика (1185136), страница 52
Текст из файла (страница 52)
Во-первых, частота рентгеновских лучей в тысячи раз больше, чем частота оптических лучей. Это означает, что энергия рентк геновского кванта в тысячи раз больше энергии оптического кванта. Во-вторых, рентгеновские спектры различныхэлементов имеют одинаковую структуру, в то время как структура оптических спектРис. бх ров различных элементов сущест- венно различается. В-третьих, оптические спектры поглощения состоят из отдельных линий, совпадавших с линиями излучения главной серии соответствующего элемента. Рентгеновские спектры поглощения не похожи на рентгеновские спектры испускания: они состоят из нескольких полос с резким длинноволновым краем (рис.
62). Объяснение особенностей рентгеновских спектров. Все эти особенности рентгеновских спектров объясняются механизмом их испускания, который находится в полном согласии со строением электронных оболочек, изложенным в предыдущих параграфах. Электрон, падаюший на материал антикатода, сталкиваясь с атомами антикатода, может выбить электрон с одной из внутренних оболочек атома. В результате этого получается атом, у которого отсутствует электрон на одной из внутренних оболочек. Следовательно, электроны более внешних оболочек могут совершить переход на освободившееся место.
В результате этого испускается квант, который и является квантом рентгеновского излучения. Энергия электрона в кулоновском поле ядра с зарядом Яе равна (79.1) Энергию электрона на одной из внутренних оболочек атома можно представить в виде В'„= — —,(2 — а„у', (79.2) где а„учитывает экранировку (а„« Л) поля ядра внутренними электронами и возмущения со стороны других электронов.
При переходе электрона на освободившееся место на внутренней оболочке с более внешней оболочки излучается квант, частота которого равна ы = л — — — „— (Л вЂ” а,)' — — (у — а,) . 1гг — я~ Й Н 2 Ь я) л( (79. 3) Поскольку Я для тяжелых атомов велико, абсолютная величина энергии термов (79.2) также велика в сравнении с энергией оптических термов. Следовательно, и частоты излучения в соответствии с формулой (79.3) велики в сравнении с оптическими частотами. Этим объясняется большая энергия рентгеновских квантов. Закон Мозли. Если внутренние оболочки атомов имеют одинаковое строение, поправки а„в формуле (79.2) для данной оболочки (т. е.
для данного и) должны быть одинаковыми. Отсюда следует, что все тяжелые атомы должны иметь одинаково построенные рентгеновские спектры, лишь у более тяжелых атомов спектр смещается в сторону больших частот. Это полностью подтверждается экспериментом и доказывает, что внутренние оболочки атомов имеют одинаковое строение, как это и предполагалось при объяснении периодической системы элементов. Общий вид рентгеновского терма может быть представлен следующим образом: Л (г — а)з ()= Отсюда следует, что — = — (2 — а). т 1 К и (79.5) Это равенство выражает закон Мозли, открытый экспериментально.
Закон Мозли показывает, что корни квадратные из рентгеновских термов зависят линейно от зарядового числа 2 элементов. Если электрон выбит из К-оболочки (и = 1), то прн переходе на освободившееся место электронов с других оболочек излучается рентгеновская К-серия. При переходе электронов на освободившееся место в (.-оболочке (и =- 2) излучается й-серия и т. д. Таким образом, экспериментально наблюдаемая одинаковость структуры рентгеновских спектров и закон Мозли подтверждают представления, употребляемые при интерпретации периодической системы элементов. Особенность рентгеновских спектров поглощения также объясняется фактом связи испускания рентгеновских лучей с внутренними оболочками атома. В результате поглощения рентгеновского кванта атомом может произойти вырывание электрона с одной из внутренних оболочек атома, т.
е. процесс фотоионизации. Каждая из полос поглощения соответствует вырыванию электрона из соответствукицей оболочки атома. Полоса К (рис. 62) обра- 269 и к„,нс,н нд, Рис. 63 зуется за счет выбивания электрона из самой внутренней оболочки атома — К-оболочки, полоса Š— из второй оболочки и т. д. Резкий длинноволновой край каждой полосы соответствует началу процесса фотоионизацин, т.
е. вырыванию электрона из соответствующей оболочки без сообщения ему дополнительной кинетической энергии. Длинноволновая часть полосы поглощения соответствует актам фотоионизацин с сообщением электрону избыточной кинетической энергии. Структура рентгеновских спектров поглощения тяжелых элементов совершенно аналогична друг другу и подтверждает одинаковость строения внутренних оболочек атомов тяжелых элементов. На рис.
62 видно, что каждая из полос поглощения имеет тонкую структуру: в К-полосе имеется один максимум, в Е-полосе— три максимума, в М-полосе — пять м З 77г7г максимумов. Это объясняется тон- мД м 1гй,, ~РД кой структурой рентгеновских термх 3 Рс11 мов. З~хкэ Дуплетный характер рентгеновских спектров. Каждый рентгеновский терм соответствует состоянию оболочки, из которой удален один ггпу с77 из электронов. Число энергети- ка 2 А~/г ческих состояний, соответствую- щих одному удаленному электрону, сй гг~ можно найти с помощью следующего рассуждения. У замкнутой оболочки полный орбитальный момент М, полный спиновый момент Мз и полный механический момент Мг равны нулю.
Если из этой оболочки удален электрон с некоторым орбитальным моментом Мь спиновым моментом М, и полным моментом Мл то оставшаяся конфигурация будет обладать полным орбитальным, спиновым и механическим моментами, численно равными соответствующим величинам удаленного электрона.
Поэтому энергетические состояния замкнутой оболочки без одного электрона имеют такую же мультиплетность, нак н энергетические состояния одного электрона. Но термы одного электрона дублетны. Следовательно, и рентгеновские термы должны быть дублетными. Схема рентгеновских уровней и квантовых переходов изображена на рис. 63. В К-оболочке мы имеем и = 1, 1 = О, з = —, 7' = — дла каж- 1 . 1 дого из электронов. Если один из электронов вырван, то у остав- 1 1 шейся оболочки (т.
е. одного электрона) Е = О, 5 = —,,1 = — 2-. 2' 2' т. е. состояние 'Яп,, которое принадлежит к дублетному семейству 270 состояний, хотя будучи З-состоянием, не приводит к энергетическому расщепленшо уровней. Поэтому в К-полосе поглощения имеется лишь один максимум. Электронная конфигурация С-оболочки имеет вид 2У2р~. 1 В этой оболочке в р-состоянии имеются два электрона с 1=— 2 з и 4 электрона с у = †. Если вырывается один из электронов 2 в 2зм;состоянии, то возникает состояние '5ч,.
Если вырывается один из электронов в 2рч;состоянии, то возникает состояние 'Р ле а при выбивании одного из электронов в 2рч,-состоянии возникает состояние 'Рз~,. Таким образом, с Е-оболочкой связано три энергетических состояния, как это и изображено на рис. 63. Обычно эти уровни обозначаются как Т.ь Еы, Т.ып Они дают три максимума поглощения в Т.-полосе. Аналогичным образом М-состояния распадаются на 5 рентгеновских подуровней 'Зп,, 'Рц„'Ри~„ЧЭзм, Ч)5ли как это изображено на рис. 63.
Часто эти подуровни обозначаются как Мь Мы, Мып Мп, Мч. Онидаютпятьмаксимумовпоглощения в М-полосе. Линии испускания рентгеновских спектров могут быть получены из схемы рентгеновских уровней с учетом обычных правил отбора: (79.6) ЬТ.= ~1, Ы=О, 4-1. Линии дублета К-серии, получающиеся за счет переходов с уровней 1.-оболочки на уровень К-оболочки, обозначаются обычно как Ка и К„, Линии дублета К-серии, получающиеся за счет переходов с уровней М-оболочки на уровень К-оболочки, обозначаются обычно как Кв и Кв.
Аналогичным образом получаются и остальвю з ные линии излучения в рентгеновском спектре, как это показано на рис. 63. Резюмируя, можно сказать, что закономерности рентгеновских спектров находятся в хорошем согласии с представлениями об одинаковости строения внутренних оболочек атома и отсутствии какой- либо периодичности в их строении.
Лишь внешние оболочки атомов периодически повторяются, что и обусловливает периодическое повторение химических свойств элементов. Глава 20 МОЛЕКУЛЫ ф 80. Природа химической связи В предшествующих главах было рассмотрено строение атомов. Атомы объединяются в группы и образуют молекулы.
При этом в первую очередь возникает вопрос о том, какими силами удерживаются атомы в молекуле, т. е. какова природа химической связи. Грубо говоря, все силы, обусловливающие притяжение между атомами и молекулами, можно подразделить на три группы: а) силы Ван-дер-Ваальса; б) силы ионной связи (или гетерополярной связи); в) силы гомополярной связи (или ковалентной связи). Это разграничение сил является грубым в том смысле, что не всегда можно нх резко разграничить друг от друга.
Силы Ван-дер-Ваальса обычно очень малы в сравнении с силами, которые удерживают атомы в молекуле. Ван-дер-ваальсовские силы играют главную роль при удержании молекул жидкости друг с другом. Поэтому при рассмотрении вопроса о связи атомов в молекулах эти силы можно не принимать во внимание. Силы ионной связи не отличаются ничем от сил притяжения между разноименными электрическими зарядами. Если имеются два иона, например ион натрия Иа+ и ион хлора С!, то, притягиваясь друг к другу электрическими силами, они образуют молекулу ХаСЕ Однако с помощью ионной связи не удается объяснить строение всех молекул. Например„с помощью представления об ионной связи нельзя понять, почему два нейтральных атома водорода Н образуют молекулу Нм Эта связь может быть объяснена лишь квантово-механическими особенностями взаимодействия.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
