goldin-novikova-vvedenie-v-kvantovuyu-fiziku-2002 (810754), страница 32
Текст из файла (страница 32)
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'.
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. Эти поправки могут быть рассчитаны нли определены экспериментально. Значения Ь| для 51, 1«а, К, ВЬ и Сз приведены в табл. 5.
Глава 6 166 Таблица 5. Поправки «зм для атомов щелочных металлов Мы не будем продолжать разбор схем уровней и спектров других атомов, так как подробное рассмотрение этого вопроса составляет предмет специального раздела физики', ф 35. Рентгеновское излучение Характеристические рентгеновские спектры. Под действием электронов или фотонов, обладающих большой энергией, из сложных атомов могут быть удалены (нли переведены во внешние свободные оболочки) внутренние электроны атомов (рис, 63 а), На освободившиеся места переходят электроны с соседних оболочек, Эти переходы, так же как и переходы внешних, оптических электронов, сопровождаются испусканием фотонон грис, 63 б и в). При переходах между внутренними оболочками атомов выделяется существенно большая энергия, чем при переходах между наружными оболочками. Фотоны, испускаемые при переходах электронов с одной внутренней оболочки атомов на другую, имеют энергию в сотни, тысячи, а у тяжелых атомов — даже в десятки тысяч раз болыпую, чем оптические фотоны.
Это излучение называют характеристическим рентгеновским излучением. Спектр характеристического излучения зависит от структуры уровней. Поэтому каждый элемент обладает своим собственным, присущим только ему спектром характеристического рентгеновского излучения, В отличие от оптических спектров, рентгеновские спектры довольно просты и регулярно изменяются от элемента к элементу. Такой характер рентгеновских спектров объясняется тем, что при переходе от элемента к элементу меняется не структура внутренних оболочек, а энергия связи заполняющих эти оболочки электронов. гол«., например, книгу М.Д. Ельяшеяинз «Лгпмнзя и»«алекулярпзя спектрпскппия» 1М. Фнзматгиз, 1962).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
