1626435914-6d29faf22cc9ba3862ba4ac645c31438 (844347), страница 11
Текст из файла (страница 11)
Эйнштейн развил ее, введя представление о квантах как частицах света (фотонах). Открытие Менделеевым в 1869 г. периодического закона химических элементов лазо мощный толчок исследованиям строения вещества. Конкретно встала проблема Ш См. подробнее с. 220. 38 Глава 1. Основные положения спекптроскопии и ее разделы строения атома. Изучение открытого в 189б г. Беккерелем явления радиоактивности в сочетании с результатами исследований свойств электронов привело Резерфорда в 1911 г., на основе опытов по рассеянию альфа-частиц атомами, к носящей его имя модели атома, состоящего из ядра и электронов. Первый этап развития спектроскопии после !913 г., уже на основе квантовых представлений, связан с теорией Бора (175(, подготовленной предыдущим развитием спектроскопии и смежных с нею областей физики.
Бор исходил нз разработанной Резерфордом ядерной модели атома и при помощи двух основных квантовых постулатов о существовании стационарных состояний и о переходах с излучением между ними (см. э!.1), что находилось в противоречии с законами классической механики и классической электродинамики, смог объяснить сущность закономерностей в атомных спектрах и комбинационный принцип.
Для простейшего случая атома водорода как системы, состоящей из ядра (протона) н электрона, Бор определил возможные значения энергии стационарных состояний и получил общую формулу (1.8) для спектральных серий атома водорода. При этом Бору пришлось ввести дополнительный постулат — правило квантования для круговых орбит, — состоящее в том, что при движении по круговой 7ь орбите момент количества движения электрона равен Мр —— и — (и = 1, 2, 3, ... ), 2я т. е. является целым кратным постоянной Планка Ь, деленной на 2я.
Правило квантования являлось искусственным условием, налагаемым на движение электрона в атоме, рассматривавшееся Бором согласно законам классической механики. Правда, к правилам квантования можно было прийти из рассмотрения соответствия между классической и квантовой теориями для больших значений квантовых чисел и (на основе принципа соответслгвия), но главное противоречие теории Бора с классической электродинамнкой этим не устранялось: электрон, движущийся внутри атома по законам классической механики с ускорением, должен был бы непрерывно излучать энергию, и частота соответствующего излучения должна была бы равняться частоте обращения электрона по орбите вокруг ядра.
Поэтому теория Бора, хотя и представляла крупнейший щаг вперед в развитии теории атома и явилась началом нового периода развития спектроскопии, не была последовательной и давала лишь модель, хотя весьма наглядную, но заведомо ограниченную и имеющую принципиальные недостатки ы'. При применении наглядных прелставлений Бора о движении электронов в атомах и молекулах по опрелеленным орбитам (что мы будем делать цри изложении некоторых вопросов) следует иметь в виду ограниченность и недостаточность этих представлений. Все сказанное относится к связанной с правилами квантования конкретной форме теории Бора, но не затрагивает справедливости двух основных постулатов, в настоящее время полностью обоснованных как экспериментально, так и теоретически (см. 91.1).
Теория Бора сразу добилась крупных успехов в интерпретации накопленного спектроскопией опытного материала и в раскрьции физического смысла сериальных формул. Наряду с объяснением комбинационного принципа и спектральных серий атома водорода Бор показал, что открытые Пикерингом (168( и Фаулером 1173) ья !теорию Бора нельзя рассматривать как приближенно верную теорию, каковои является классическая механика по отношению к механике теории относительности (классическая механика приближенно справедлива нри скоростях движения в, малых по сравнению со скоростью света с, т.е.
при в!с ~ 1). Классическая механика и классическая электродинамика к движению внутри микроскопических систем, какими являются и атоиы, неприменимы приннипнально. Зтн системы должны рассммриваться согласно квантовой механике и квантовой электродинамике 8!.6. Краткий исторический обзор 39 спектральные серии типа (!.8), но с полуцелыми квантовыми числами, которые приписывались атому водорода, принадлежат ион изованному атому гелия (см. с. ! 69). На основе теории Бора получили естественное объяснение установленные Мозли в !913-19!4 гг. [176] закономерности в дискретных рентгеновских спектрах, обусловленных переходами между уровнями энергии, соответствуюшими внутренним электронным оболочкам атомов.
Вслед за спектром водорода Зоммерфельдом [1О, 178], Рождественским [184] и другими были объяснены спектры атомов шелочных металлов и более сложных атомов. Эти исследования привели к разработке в 1922-1925 гг. Ланде [!7], Гунлом [12], Расселом [192] и другими систематики сложных спектров и завершились открытием в 1925 г. спина электрона Уленбеком и Гаудсмитом [190]. Систематика атомных спектров развивалась в тесной связи с обьяснением закономерностей периодической системы элементов Менделеева, которое было дано Бором на основе его теории атома [185]; эти закономерности оказались обусловленными заполнением электронных оболочек атома определенным числом электронов.
Число электронов в заполненных оболочках было окончательно установлено на основе принципа Паули, сформулированного в 1925 г. [191]. Наряду с разработкой систематики и интерпретацией атомных спектров были объяснены, исходя из теории Бора, и основные закономерносги простейших молекулярных спектров, в первую очередь спектров двухатомных молекул (Шварцшильд ]180], Кратцер [188] и другие). Одновременно с крупными успехами теории Бора выявились и ее слабости. Ряд более тонких особенностей спектров не мог быть ею объяснен, многие формулы теории оказались лишь приближенными, интенсивности в спектрах получались лишь на основе принципа соответствия. Новый этап развития спектроскопии связан с созданием в 1924-1926 гг. квантовой механики. Являясь последовательной микроскопической теорией атомов и молекул, квантовая механика дает в принципе объяснение всех основных закономерностей атомной и молекулярной спектроскопии.
Простейшие системы, как атом водорода и атом гелия, молекула водорода и ее ион, удалось полностью рассчитать квантовомеханически, для более сложных систем были разработаны приближенные методы расчета. Однако главное значение квантовой механики как теоретической основы спектроскопии состоит в том, что она приводит к правильной физической картине я позволяет дать полную характеристику квантовых состояний атомов и молекул. Важное значение для спектроскопии имеют результаты, к которым приводит и квантовая электродинамика, разработанная вслед за квантовой механикой.
Она объясняет мкоиы излучения атомных систем и вместе с тем позволяет рассчитать такие весьма тонкие эффекты, обнаруженные спектроскопическими методами за последние годы, как сдвиг уровней (см. 96.6) и аномалия магнитного момента электрона (см. 9!4.7), Развитие спектроскопии с 1926 г. характеризуется все возрастающим обьемом исследований. Значительно расширились экспериментальные возможности спектроскопии.
Для молекулярной спектроскопии большое значение имело открытие в 1928 г. одновременно и независимо Раманом в Индии и Мандельштамом н Ландсбергом в СССР явления комбинационного рассеяния света [195, 196]. Весьма плодотворными оказались радиоспектроскопические методы исследования — разработанный Раби и его сотрудниками метод магнитного резонанса в иолекулярных пучках, метод микроволнового поглошения, методы магнитного реюнанса в твердых и жидких телах, основанные на открытом Завойским в 1944 г, явлении парамагнитного резонанса, и другие. Особенно важное значение имеют рааяоспектроскопические методы для изучения уровней сверхтонкой структуры. 40 Глава 1. Основные положения спектроскопии и ее разделы Значительно развилась техника спектроскопических исследований и в оптической области спектра.
Дать даже самый краткий обзор многочисленных спектроскопических работ, выполненных с 1926 г., не представляется возможным. Результаты некоторых наиболее важных из них излагаются и соответствуюших главах книги; там же даются краткие сведения исторического характера. ГЛАВА 2 ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ УРОВНЕЙ ЭНЕРГИИ й 2.1. Невырожденные и вырожденные уровни энергии В этой главе мы разберем общие характеристики уровней энергии и соответствующих им стационарных состояний атомных систем. Полная характеристика стационарных состояний дается квантовой механикой, и мы будем опираться в данной и в дальнейших главах на основные ее положения и результаты. Сами квантовомеханические методы, изложение которых можно найти в соответствующих учебниках и монографиях, мы не будем рассматривать.
Элементарное изложение квантовой механики содержится в книге Шпольского «Атомная физика» [129[. Можно рекоменловать книгу Шиффа по квантовой механике [132[ и учебник Компаиейца по теоретической физике [125], в котором дано сжатое изложение квантовой механики. На подготовленного читателя рассчитаны курсы квантовой механики Блохинцева [130[ я Ландау и Лифшица [131[. Подробные решения многих конкретных каантовомеханическнх задач можно найти в монографиях Зоммерфельда [136[ и Бете и Салпитера [134]. Понятие уровня энергии связано с постоянством энергии рассматриваемой атомной системы в стационарных состояниях, и поэтому важнейшей характеристикой уровня энергии является значение энергии.
Заданному значению энергии может соответствовать одно, вполне определенное стационарное состояние или ряд (два и более) стационарных состояний, отличающихся друг от друга какими-либо свойствами. Согласно общепринятой терминологии, если имеется одно стационарное состояние с заданным значением энергии, то уровень энергии называют невыролсдеялым, если же имеется ряд таких состояний, которым соответствует одно значение энергии, то уровень энергии называют вырожделлым и говорят, что эти состояния вырождены. Число различных независимых состояний атомной системы с одним и тем же значением энергии Е, называют степенью, или кратностью, вырождения.
Степень вырождения равна единице для невырожденных и больше единицы для вырожденных уровней. Примером системы с невырожденными уровнями энергии является система с одной степенью свободы, совершающая гармонические колебания около положения равновесия, —. линейный гарм.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
