goldin-novikova-vvedenie-v-kvantovuyu-fiziku-2002 (810754), страница 30
Текст из файла (страница 30)
Принципу действия и устройству лазеров посвящена гл. 10.) Благородными газами, кроме сНе и щ51е, являются все элементы, на которых заканчивается заполнение р-оболочки аргон зздг [Зр)~, криптон звКг (4р)~, ксенон зхХе 'бр е, радон ззйо 'бр!~. Перейдем к атомам, у которых начинает заполняться М-слой (и = 3). В атоме натрия (Е = 11) десять электронов образуют конфигурацию неона, а последний, одиннадцатый, электрон в невозбужденном атоме находится в Зз-состоянии.
Основное состояние атома совпадает с состоянием последнего электрона; это состояние — 3 Яыз. Энергия связи электрона, находящегося в М-слое, существенно меньше, чем энергия связи электронов в 1;слое прн близких значениях 2. Поэтому первый потенциал ионизации у натрия мал (5,14 эВ). Атомы с электронными конфигурациями, аналогичными конфигурации натрия (заполнена р-оболочка и занято одно з-состояние в следующем слое), обладают очень низкими потенциалами ионизации и, следовательно, высокой химической активностью. К таким атомам, кроме натрия, относятся калий (К = 19), рубндий (К вЂ” . = 37), цезий (В = 55) и франций (В = 87).
Все этн атомы вместе с литием входят в группу щелочных элементов. Сходство химических свойств атомов, положенное в основу построения периодической системы элементов, объясняется одинаковой структурой их внешних электронных оболочек. Обратимся к табл, 3. У атома аргона (л = 18) полностью заполнены А- и Е;слон, а в Мсшое заполнены только За- и Зр-оболочки. В этом слое, однако, возможны и состояния с 1 = 2, т.е. 34-состояния.
Естественно было бы ожидать, что в атоме калия с В = 19 начнет заполняться Зг(-оболочка. Однако на самом деле у калия, а затем и у кальция (Я = 20) заполняется 4а-оболочка, а Зг(-оболочка заполняется только начиная со скандия (В = 21). Причиной отступления от «правильного» порядка заполнения электронных оболочек является уже обсуждавшаяся экранировка ядра атома внутренними электронами.
154 Глава 6 Для а-электронов экранировка оказывается наименее сушественной. Волновые функции а-электронов имеют максимум в центре атома, поэтому а-электроны в среднем оказываются в более сильном поле, чем электроны с меньшими значениями и, но большими 1; а-уровни располагаются в таких случаях глубже, чем уровни одной или даже двух оболочек предыдушего слоя.
С увеличением числа электронов в атоме влияние экранировки все сильнее сказывается на порядке заполнения уровней, что можно проследить по электронным конфигурациям, приведенным в табл. 3 и 4. В табл. 4 указан порядок заполнения уровней для основных состояний всех атомов, включая курчатовий (В = 104), Атомы группируются в п е р но д ы, принятые в периодической системе элементов Д.
И.Менделеева. Каждый период начинается с заполнения очередной а-оболочки, периоды со й-го по 6-й заканчиваются заполнением р-оболочек. Из табл. 4 видно, что во всех периодах с ростом л р-оболочки заполняются последовательно, а в заполнении г(- и уьоболочек наблюдаются нерегулярности. Четырнадцать элементов от епйа до таУЬ называют л а н та но идам и; у этих элементов (за исключением самого лантана) последовательно заполняется 4~'-оболочка. Четырнадцать элементов от зэАс до гозй)о составляют группу а кт и н о и д о в; в атомах этих элементов с некоторыми нерегулярностями заполняется 6У-оболочка. Наименее связанные (валентные) электроны этих атомов находятся на заполненной а-оболочке; энергия ионнзации нормальных атомов лантаноидов близка к 6 эВ, для нормальных атомов актиноидов — к 4 эВ.
В 33. Правила отбора при излучении атомов В атомах, находящихся в основных состояниях, электроны занимают самые глубокие энергетические уровни. У возбужденных атомов один или несколько электронов находятся на более высоких уровнях, а часть нижних уровней остается незаполненной. При переходах электронов с верхних ца нижние незанятые уровни освобождается энергия. Если эта энергия выделяется в виде электромагнитного излучения, наблюдаются оптические (ври переходах внешних электронов) илн рентгеновские (при переходах внутренних электронов) спектры.
Исследование этих спектров является основным методом изучения атомов. Опыт показывает, что наличие свободного места на одном из нижних уровней необходимо, но не достаточно для испускания кванта электромагнитного излучения. Электромагнитное излучение возникает, если квантовые характеристики атома до высвечивания и после высвечивания удовлетворяют так называемым п р а в и л а м о т б ар а, которые следуют нз законов сохранения и в первую очередь из закона сохранения углового момента. Правила отбора естественным образом получаются из математического аппарата квантовой механики. Для этого нужно исследовать вза- з33.
ПРАвилА ОТБОРА ПРи излучвпии АтОмоВ 155 имодействие атомов с электромагнитным полем, что требует серьезного расширения математического аппарата. Делать этого мы не будем. Происхождение и смысл правил отбора могут быть, однако, получены и без вычислений — с помощью простых качественных соображений. Из классической оптики известно, что световые волны могут быть поляризованными.
Поляризация света всегда является поперечной. В оптике показывается, что возможны две различные поляризации света. В качестве основных поляризационных состояний в классической физике обычно рассматривают две взаимно перпендикулярные линейные поляризации. Все другие поляризационпые состояния могут рассматриваться как суперпозиции этих основных. Так, круговая поляризация может быть представлена в виде суперпозиции равных по амплитуде колебаний, сдвинутых по фазе на яу2; при неравных амплитудах возникает эллиптическая поляризация и т.д. Такой выбор основных поляризационных состояний обусловлен экспериментальными причинами: обнаружение (и получение!) линейно поляризованного света проше, чем исследование света, например, с эллиптической поляризацией.
Как уже отмечалось, объективным свойством природы является ч и с л О независимых компонент, необходимых для описания того или иного объекта (в нашем случае — две поляризационные компоненты), в то время как выбор тех или других компонент в качестве основных зависит от нашего произвола. В квантовой механике за исходные поляризации удобнее выбирать не линейные, а циркулярные — с вращением электрического вектора по или против часовой стрелки.
Прн таком выборе основных компонент линейная поляризация представляется сунерпозицией двух циркулярно поляризованных составляющих. Рассмотрим циркулярно поляризованный свет, т.е. волну, у которой вектор Е (равно как и вектор Н) вращается по кругу. Вектор углового момента электромагнитного излучения направлен при этом по линии движения волны.
У правовращающегося света он направлен по направлению движения фотона, а у левовращающегося — против этого направления. Переходя на язык квантовой механики, мы должны сказать, что у фотона есть спин, причем проекция спина на направление движения фотона может принимать два значения. На первый взгляд кажется, что спин фотона должен быть равен 1Т2, так как в этом случае сушествование двух (и только двух!) компонент поляризации получается автоматически. Легка видеть, однако, что это не так. Если бы спин фотона равнялся (г'2, то при электромагнитном излучении угловой момент атома менялся бы на 1г'2, т,е.
становился бы из целого полуцелым или наоборот. Но это невозможно, так как при испускании фотона число электронов в атоме не изменяется, а момент электронной оболочки атома является целым при четном числе электронов и полуцелым — при 156 Гллвл 6 нечетном. Спин фотона должен поэтому выражаться целым числом и заведомо не равен нулю. Более подробное исследование показывает, что спин фотона равен единиие. У любой другой частицы при этом были бы возможны три проекции спина на направление движения: — 1, 0 и +1, Попереливать световой волны выражается в том, нто р фотона возможны не три, а только две проекции: — 1 и г1 (отсутствие компоненты с проекцией, равной нулю, называется на языке классической физики поперечностью волны). В общем случае фотон может описываться любой суперпозицией состояний с проекциями -1 и +1.
В частности, при равном вкладе этих компонент (линейная поляризация) среднее значение проекции углового момента фотона на направление движения равно нулю. Такая суперпозиция, однако, отнюдь не равнозначна волне с нулевой проекцией спина. Если поставить опыт по измерению проекции спина фотона на направление движения, то наша волна, являющаяся суперпозицией волн с проекциями — 1 и -1, будет с равной вероятностью давать оба эти значения, в то время как волна с проекцией, равной нулю (если бы она могла существовать), всегда давала бы одно-единственное, нулевое значение проекции. Рассмотрим теперь, насколько изменяется момент атома при испускании фотона. Это изменение равно моменту, уносимому фотоном, и, вообще говоря, складывается из двух частей: из спинового момента фотона и из орбитального момента, который появляется при нецептральном испускании кванта. Легко видеть, что «нецентральное непускание» в оптике практически невозможно.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
