Изучение спектра атома водорода. Атомный спектр испускания водорода Описание установки и методики эксперимента

Яворский Б. О чем рассказал спектр атома водорода //Квант. - 1991. - № 3. - С. 44-47.

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"

Как известно, наибольшей простотой отличается излучение изолированных атомов, например атомов одноатомных газов или паров некоторых металлов. Такие спектры представляют собой набор дискретных спектральных линий разной интенсивности, соответствующих разным длинам волн. Их называют линейчатыми спектрами.

При свечении газов или паров, молекулы которых состоят из нескольких атомор возникают полосатые спектры - совокупности групп спектральных линий. Наконец, излучение, испускаемое нагретыми жидкостями и твердыми телами, обладает непрерывным спектром, который содержит все возможные длины волн.

Кроме спектров испускания, существуют и спектры поглощения. Пропустим, например, сквозь пары натрия свет от источника, дающего непрерывный спектр. Тогда в желтой области непрерывного спектра возникают две темные линии - линии спектра поглощения натрия. Очень важным является свойство обратимости спектральных линий: атомы поглощают свет, содержащий те спектральные линии, которые эти же атомы испускают. Замечательно, что атом каждого химического элемента создает линейчатый спектр с только ему одному присущим сочетанием спектральных линий, расположенных в различных местах шкалы электромагнитных волн - как в ее видимой области, так и в соседних невидимых ультрафиолетовой и инфракрасной областях. Подобно тому как на Земле нет двух людей с одинаковыми лицами, в природе нет двух химических элементов, атомы которых обладали бы одинаковыми спектрами.

Оказывается, линейчатые спектры очень тесно связаны с поведением так называемых валентных электронов атома. Дело в том, что электроны в атоме располагаются вокруг ядра слоями, или оболочками, где электроны имеют различные энергии. Кроме того, в разных оболочках содержится не одинаковое число электронов. В самой далекой от ядра, так называемой внешней энергетической оболочке, у разных атомов имеется различное число электронов - от одного до восьми. Например, у атома натрия только один электрон находится во внешней оболочке, у атома углерода таких «внешних» электронов четыре, у хлора - семь. Химики называют внешние электроны валентными - ими определяется валентность атомов, т. е. их способность вступать в химические соединения с другими атомами. Физики называют внешние электроны атомов оптическими - этими электронами определяются все оптические свойства атомов и в первую очередь их спектры.

Линии Балынера в спектре атома водорода

Атом водорода - простейший из атомов, он состоит всего из одного протона (ядра) и одного электрона. Поэтому линейчатый спектр атома водорода тоже наиболее прост. Именно с изучения этого спектра начала свой путь теоретическая спектроскопия - учение о спектрах атомов, молекул, веществ в различных агрегатных состояниях.

Впервые линии в спектре водорода наблюдал и подробно описал немецкий физик И. Фраунгофер. Это были знаменитые теперь фраунгоферовы темные линии поглощения в солнечном спектре. Они возникают, когда излучение Солнца проходит сквозь газы, окружающие его хромосферу. Вначале Фраунгофер обнаружил всего 4 линии, которые впоследствии стали называться линиями H α , H β , H γ , и H δ .

В 1885 году И. Бальмер, учитель физики средней школы в городе Базеле (Швейцария), тщательно проанализировал снимки, полученные Фраунгофером и его последователями, и заметил следующее. Если ввести некоторое (как его назвал Бальмер, основное) число k , то длины волн линий H α , H β , H γ , и H δ могут быть выражены таким образом:

\(~\begin{matrix} \lambda_{H_{\alpha}} = \dfrac 95 k \\ \lambda_{H_{\beta}} = \dfrac 43 k \\ \lambda_{H_{\gamma}} = \dfrac{25}{21} k \\ \lambda_{H_{\delta}} = \dfrac 98 k\end{matrix}\) .

Умножив на 4 числители и знаменатели в дробях \(~\dfrac 43\) и \(~\dfrac 98\), Бальмер получил удивительную закономерность: числители в выражениях длин волн всех линий можно представить как последовательность квадратов чисел -

\(~3^2, 4^2, 5^2, 6^2\) ,

а знаменатели - как последовательность разностей квадратов -

\(~3^2 - 2^2, 4^2 - 2^2, 5^2 - 2^2, 6^2 - 2^2\) .

Таким образом, Бальмеру удалось записать одну формулу для длин волн четырех линий:

\(~\lambda = k \dfrac{n^2}{n^2 - 2^2}\) .

где n = 3, 4, 5 и 6 соответственно для линий H α , H β , H γ , и H δ . Если λ измерять в ангстремах (1 А = 10 -10 м), то число k по Бальмеру оказывается равным 3645 А.

Вскоре были обнаружены другие линии в спектре поглощения водорода (сейчас известно около 30 линий только в видимой области спектра), и их длины волн тоже «укладывались» в формулу Бальмера. О том, с какой точностью это получается, судите по таблице, где приведены результаты наблюдения и вычисления длин волн (в ангстремах) первых семи линий, для которых число n изменяется от 3 до 9:

Эти цифры показывают, что в спектроскопии вычисления производятся с необычайной точностью. До появления спектроскопических расчетов считалось, что наибольшую точность имеют вычисления в астрономии. Однако оказалось, что точность вычислений в спектроскопии не только не уступает, но в ряде случаев w превосходит астрономическую точность.

Бальмер надеялся, что спектры других атомов, более сложных, чем водород, тоже можно будет описывать формулами, похожими на открытую им формулу. По его мнению, отыскание «основного числа» для атомов других элементов будет очень сложной задачей. К счастью для всей атомной физики, и особенно для спектроскопии, Бальмер ошибся. Величина k вошла в спектральные формулы излучения атомов всех химических элементов 1[правда, сами формулы отличаются от бальмеровской целым рядом поправочных членов).

Постоянная Ридберга. Полный спектр атома водорода

В 1890 году шведский физик-спектроскопист Ридберг записал формулу Бальмера в «перевернутом» виде», для величины \(~N = \dfrac{1}{\lambda}\). Она называется волновым числом.и показывает, какое число длин волн в вакууме укладывается на единичной длине. Волновое число легко связать с частотой света ν :

\(~\nu = \dfrac{c}{\lambda} = cN\) ,

где c - скорость света. В спектроскопии всегда имеют дело с волновыми числами, а не с частотами. Это связано с тем, что длины волн, а следовательно, и волновые числа, можно определять опытным путем с гораздо большей точностью, чем частоты. (Заметим, что иногда волновое число обозначают той же буквой ν , что и частоту колебаний. Правда, из контекста обычно бывает ясно, о чем именно идет речь, но порой это вносит ненужную путаницу.)

«Перевертывая» формулу Бальмера, получаем для волнового числа

\(~N = \dfrac{1}{\lambda} = \dfrac{1}{k} \dfrac{n^2 - 4}{n^2} = \dfrac{4}{k} \left(\dfrac{1}{2^2} - \dfrac{1}{n^2} \right)\) .

Обозначим постоянную величину \(~\dfrac{4}{k}\) через R (первая буква в фамилии Ридберга). Тогда окончательно формулу Бальмера можно записать в том виде, в каком она обычно используется:

\(~N = R \left(\dfrac{1}{2^2} - \dfrac{1}{n^2} \right)\) , где n = 3, 4, 5, 6 ,…

Формула Бальмера показывает, что с увеличением числа n волновые числа «соседних» спектральных линий имеют все более близкие значения (разность между ними уменьшается) - происходит сближение спектральных линий. Все спектральные линии, волновые числа которых вычисляются по формуле Бальмера, образуют спектральную серию Бальмера. Наибольшее число спектральных линий серии Бальмера (37 линий) было обнаружено в спектре солнечной хромосферы и протуберанцев (облаках раскаленных газов, образующихся на Солнце и выбрасываемых из него). Постоянная Ридберга была с большой точностью измерена на линиях серии Бальмера. Она оказалась равной R = 109677,581 см -1 .

Удивительное совпадение результатов измерений длин волн линий спектра водорода в видимой области спектра с вычислениями по формуле Бальмера побудило исследователей изучить спектр водорода в других областях. Эти поиски увенчались успехом. Кроме серии Бальмера, в спектре атома водорода были обнаружены другие серии, причем все они описывались спектральными формулами, аналогичными формуле Бальмера.

Так, в далекой ультрафиолетовой части спектра - в области длин волн ~1200 А и менее - Лайман открыл серию линий, называемую теперь серией Лаймана:

\(~N = R \left(\dfrac{1}{1^2} - \dfrac{1}{n^2} \right)\) , где n = 2, 3, 4, …

В инфракрасной части спектра обнаружилось три серии спектральных линий: в области длин волн от 10 000 до 20 000 А - серия Пашена, описываемая формулой

\(~N = R \left(\dfrac{1}{3^2} - \dfrac{1}{n^2} \right)\) , где n = 4, 5, 6, …

в области длин волн, близких к 40 000 А,- серия Брэккета

\(~N = R \left(\dfrac{1}{4^2} - \dfrac{1}{n^2} \right)\) , где n = 5, 6, …

наконец, в очень далекой инфракрасной области, вблизи 75 000 А - серия Пфунда

\(~N = R \left(\dfrac{1}{5^2} - \dfrac{1}{n^2} \right)\) , где n = 6, 7, …

Таким образом, все спектральные линии, обнаруженные у атома водорода в разных частях спектра, можно охватить одной общей формулой - формулой Бальмера - Ридберга

\(~N = R \left(\dfrac{1}{m^2} - \dfrac{1}{n^2} \right)\) .

В этой формуле для каждой серии линий число m имеет постоянное значение от 1 до 5: m =1, 2, 3, 4, 5, а внутри данной серии число n принимает ряд возрастающих численных значений, начиная от m + 1.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

ИЗУЧЕНИЕ СПЕКТРА АТОМА ВОДОРОДА

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1.1 Изучить спектр атомарного водорода в видимой области спектра и измерить длины волн водородных линий Н б , Н в , Н г , Н д .

1.2 Вычислить значение постоянной Ридберга.

1.3 По найденному значению R вычислить постоянную Планка h .

2. СПЕКТР ВОДОРОДА И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УРОВНИ

2.1 Опыты Резерфорда. Строение атома

Размещено на http://www.allbest.ru/

В 1910 г. Резерфорд и его сотрудники провели серию опытов по наблюдению рассеяния альфа частиц при их прохождении через тонкую металлическую фольгу. Опыт осуществлялся следующим образом (рис.1). Выделяемый, с помощью узкого отверстия в контейнере пучок альфа-частиц, испускаемых радиоактивным источником И , падал на тонкую металлическую фольгу Ф . При прохождении через фольгу альфа-частицы отклонялись от первоначального направления движения на различные углы. Рассеянные альфа-частицы ударялись об экран Э , покрытый сернистым цинком, и вызываемые ими сцинтилляции (вспышки света) наблюдались в микроскоп М . Микроскоп и экран можно было вращать вокруг оси, проходящей через центр фольги, и устанавливать таким образом под любым углом. Весь прибор помещался в вакуумную камеру, чтобы устранить рассеяние альфа-частиц за счет столкновения с молекулами воздуха.

Наблюдения показали, что основная часть альфа частиц отклоняется от первоначального направления лишь на небольшие углы, но в то же время угол рассеяния небольшого количества альфа-частиц оказывается значительно большим и даже может достигать 180 о. Проанализировав результаты опыта, Резерфорд пришел к выводу, что столь сильное отклонение альфа-частиц от первоначального направления возможно только в том случае, когда внутри атома имеется чрезвычайно сильное электрическое поле, которое создается зарядом, связанным с большой массой. Малая доля частиц, рассеиваемых на большие углы, указывает на то, что положительный заряд и связанная с ним масса сосредоточены в очень малом объеме и вероятность прямого попадания мала. Основываясь на этом выводе, Резерфорд предложил в 1911 году ядерную модель атома. Согласно Резерфорду атом представляет собой систему зарядов, в центре которой расположено тяжелое положительно заряженное ядро, имеющее размеры, не превышающие 10 -12 см, а вокруг ядра вращаются (чтобы не упасть на ядро) отрицательно заряженные электроны, суммарный заряд которых равен по модулю заряду ядра. Почти вся масса атома сосредоточена в ядре.

Однако ядерная модель оказалась в противоречии с законами классической механики и электродинамики. Суть противоречия заключается в следующем: электрон, двигаясь по искривленной траектории должен иметь центростремительное ускорение. По законам классической электродинамики заряд, движущийся с ускорением, должен непрерывно излучать электромагнитные волны. Процесс излучения сопровождается потерей энергии, так что электрон (если следовать классическим законам) должен постепенно опускаться, двигаясь по спирали и, в конечном счете, упасть на ядро. Оценки показали, что время, через которое электрон должен упасть на ядро, должно составлять примерно 10 -8 с. При этом, непрерывно изменяя радиус своей орбиты, он должен излучать сплошной спектр, в то время как в опытах с разреженными газами установлено, что спектры атомов являются линейчатыми. Таким образом, возникло противоречие между представлениями об атоме, вытекающими из результатов опытов Резерфорда и законами классической физики, согласно которым атом, имеющий указанное строение, должен быть нестабильным, а спектр его излучения сплошным

2.2 Постулаты Бора. Элементарная боровская теория водоро д ного атома

Выход из противоречия, возникшего между законами классической физики и выводами, вытекающими из результатов опытов Резерфорда, предложил Нильс Бор, который в 1913 году сформулировал следующие постулаты Постулат - утверждение принимаемое без доказательства, как аксиома. О справедливости того или иного постулата можно судить путем сравнения с экспериментом результатов, полученных при использовании того или иного постулата. :

1) Из бесконечного множества электронных орбит, возможных для электрона в атоме с точки зрения классической механики, на самом деле реализуются лишь некоторые, называемые стационарными . Находясь на стационарной орбите электрон не излучает энергию (э/м волны) хотя и движется с ускорением. Для стационарной орбиты момент импульса электрона должен быть целым кратным от постоянной величины

(- постоянная Дирака).

Т.е. должно выполняться соотношение:

где m e - масса электрона, v -скорость электрона, r - радиус электронной орбиты, n - целое число, которое может принимать значения 1, 2, 3, 4…и называется главным квантовым числом.

2) Излучение испускается или поглощается атомом в виде светового кванта энергии при переходе электрона из одного стационарного (устойчивого) состояния в другое. Величина светового кванта равна разности энергий тех стационарных состояний E n 1 и E n 2 , между которыми совершается квантовый скачок электрона:

Такое же соотношение справедливо и для случая поглощения. Соотношение (2) называетсяправилом частот Бора.

2.3 Модель Бора атома водорода

В основу модели атома водорода Бор положил планетарную модель атома Резерфорда и уже упоминавшиеся выше постулаты. Из первого постулата Бора следует, что возможными являются лишь такие орбиты движения электрона вокруг ядра, для которых момент импульса электрона равен целому кратному от постоянной Дирака (см. (1)). Далее Бор применил законы классической физики. В соответствии со вторым законом Ньютона, для электрона, вращающегося вокруг ядра, кулоновская сила играет роль центростремительной силы и должно выполняться соотношение:

исключая скорость из уравнений (1) и (3), было получено выражение для радиусов допустимых орбит:

здесь n - главное квантовое число (n = 1,2,3…

Радиус первой орбиты водородного атома называетсяБоровским ради у сом и равен

Внутренняя энергия атома равна сумме кинетической энергии электрона и потенциальной энергии взаимодействия электрона с ядром (ядро, ввиду его большой массы, в первом приближении считается неподвижным).

так как (смотри формулу (3))

Подставив в (6) выражение r n из (4), найдём разрешённые значения внутренней энергии атома:

где n = 1, 2, 3, 4…

При переходе атома водорода из состояния n 1 в состояние n 2 излучается фотон.

Обратная длина волны испускаемого света может быть рассчитана по формуле:

2.4 Закономерности в атомных спектрах

При проведении экспериментальных исследований спектров излучения водорода Бальмер установил, что атомы водорода (как и атомы других элементов) излучают электромагнитные волны строго определённых частот. Причем оказалось, что величину, обратную длине волны спектральной линии, можно рассчитать, как разность, некоторых двух величин, которые называются спектральными термами, т.е. справедливо соотношение:

Количественная обработка экспериментально полученных спектров водорода показала, что термы можно записать следующим образом:

где R - постоянная Ридберга, а n - целое число, которое может принимать ряд целых значений 1,2,3... Значение постоянной Ридберга, полученное экспериментально составило:

С учетом вышесказанного длину волны любой спектральной линии водорода можно рассчитать по обобщенной формуле Бальмера :

где числа n 1 и n 2 могут принимать значения: n 1 = 1,2,3...; n 2 = n 1 , n 1 +1, n 1 +2 …

Длины волн, рассчитанные по формуле (15), очень точно совпали с экспериментально измеренными значениями длин волн в спектре излучения водорода.

Сопоставив формулы (11) и (15) можно заключить, что формула (11) это та же обобщенная формула Бальмера, но полученная теоретически. Следовательно, значение постоянной Ридберга можно рассчитать по формуле:

Числа n 1 , n 2 -это квантовые числа, являющиеся это номерами стационарных орбит между которыми происходит квантовый скачок электрона. Если измерить значение постоянной Ридберга экспериментально, то, воспользовавшись соотношением (16) можно рассчитать постоянную Планка h .

атомарный водород бор ридберг

3. МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

3.1 Рабочие формулы

Спектр излучения представляет собой важную характеристику вещества, которая позволяет установить его состав, некоторые характеристики его строения, свойства атомов и молекул.

Газы в атомарном состоянии испускают линейчатые спектры, которые можно разделить на спектральные серии .Спектральная серия представляет собой набор спектральных линий, для которых квантовое число n 1 (номер уровня на который осуществляются переходы со всех вышележащих уровней) имеет одинаковое значение. Наиболее простой спектр имеет атом водорода. Длины волн его спектральных линий определяются по формулеБальмера (15) или (11).

Каждой серии спектра атома водорода соответствует своё определённое значение n 1 . Значения n 2 представляют собой последовательный ряд целых чисел от n 1 +1 до?. Число n 1 представляет собой номер энергетического уровня атома, на который совершается переход электрона после излучения; n 2 - номер уровня, с которого переходит электрон при излучении атомом электромагнитной энергии.

Согласно формуле (15), спектр испускания водорода можно представить в виде следующих серий (см. рис.2):

Серия Лаймана (n 1 =1) - ультрафиолетовая часть спектра:

Серия Бальмера (n 1 = 2) - видимая часть спектра:

Рис.2.Серии спектра атома водорода

а) энергетическая диаграмма, б) схема переходов, в) шкала длин волн.

Серия Пашена (n 1 = 3) - инфракрасная часть спектра:

Серия Брекета (n 1 = 4) - инфракрасная часть спектра:

Серия Пфунда (n 1 = 5) - инфракрасная часть спектра:

В данной работе изучаются четыре первые линии серии Бальмера, соответствующие переходам на уровеньn 1 = 2. Величина n 2 для первых четырёх линий этой серии, лежащих в видимой области, принимает значения 3, 4, 5, 6. Эти линии имеют следующие обозначения:

H б - красная линия (n 2 = 3),

H в - зелено-голубая (n 2 = 4),

H н - синяя(n 2 = 5),

H д - фиолетовая (n 2 = 6).

Экспериментальное определение постоянной Ридберга с использованием линий серии Бальмера можно провести используя формулу, полученную на основе (15):

Выражение для расчёта постоянной Планка можно получить, преобразовав формулу (16):

где m = 9.1 ? 10 -31 кг, e - 1.6 ? 10 -19 Кл, C - 3 ? 10 8 м /с, е 0 =8.8 ? 10 -12 ф / м .

3.2 Вывод формулы расчета погрешности

Выражение для расчёта абсолютной погрешности измерения постоянной Ридберга ДR можно получить, продифференцировав формулу (17). При этом следует учесть, что значения квантовых чисел n 1 , n 2 являются точными и их дифференциалы равны нулю.

Рис.3. Нахождение погрешности Дц по градуировочному графику

Величину абсолютной погрешности определения длины волны л можно найти, используя градуировочный график зависимости длины волны от деления барабана л (ц ) (см. рис. 2). Для этого необходимо оценить погрешность снятия отсчёта по барабану Дц и, как показано на рис.3, найти соответствующую погрешность Дл на данной длине волны.

Однако в связи с тем, что величины ? очень малы, то при имеющемся масштабе графика л = f (ц ) не представляется возможным определить величину Дл . Поэтому Дл с достаточной точностью определяется по формуле (24).

Для определения постоянной Планка используются табличные значения величин m e , e , е 0, C , которые известны с точностью, значительно превышающей точность определения постоянной Ридберга, поэтому относительная погрешность определения h будет равна:

где Д R - погрешность определения постоянной Ридберга.

3.3 Описание лабораторной установки

Источником света, в видимом участке спектра которого преобладают линии атомарного водорода, служит лампа тлеющего разряда Н-образной формы, питающаяся от высоковольтного выпрямителя 12. Наибольшая яркость спектра достигается в том случае, когда источником света служит торец горизонтальной части трубки (капилляра).

Для измерения длин волн спектральных линий в работе используется призменный монохроматор УМ-2 (рис.4). Перед входной щелью монохроматора на оптическом рельсе перемещаются на рейтерах водородная лампа S и конденсор К, конденсор служит для концентрации света на входной щели монохроматора (1).

Входная щель 1 снабжена микрометрическим винтом 9, который позволяет открывать щель на нужную ширину. Коллиматорный объектив 2 формирует параллельный пучок света, падающий далее на диспергирущую призму 3. Микрометрический винт 8 позволяет смещать объектив 2 относительно щели 1 и служит для фокусировки монохроматора.

Рис.4.Схема лабораторной установки.

Призма 3 установлена на поворотном столике 6, который вращается вокруг вертикальной оси при помощи винта 7 с отсчётным барабаном. На барабан нанесена винтовая дорожка с градусными делениями. Вдоль дорожки скользит указатель поворота барабана 11. При вращении барабана призма поворачивается, и в центре поля зрения зрительной трубы, состоящей из объектива 4 и окуляра 5, появляются различные участки спектра. Объектив 4 даёт изображение входной щели 1 в своей фокальной плоскости.

В этой плоскости расположен указатель 10. Для изменения яркости освещения указателя на монохроматоре находится регулятор и тумблер включения.

Изображения щели, создаваемые различными длинами волн света, представляют собой спектральные линии.

4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Ознакомившись с описанием лабораторной установки, включите её в следующем порядке:

4.1. Поверните ручку"ПОДГОТОВКА" по часовой стрелке до упора, не прикладывая чрезмерных усилий.

4.2. Нажмите кнопку"ВКЛ. ВЫСОКОГО". При этом загорится лампочка "СЕТЬ ", стрелка прибора "ТОК РАЗРЯДА" отклонится на 6…8 делений, возникнет разряд водородной лампы.

4.3. Работая юстировочными винтами конденсора, сфокусируйте световое пятно от водородной лампы на перекрестие колпачка на входе коллиматора, после чего снимите колпачок.

4.4. Найдите в спектре водорода красную, зелено-голубую, синюю и фиолетовую линии. Эта область спектра находится, примерно, в промежутке 750…3000 делений барабана. Фиолетовая линия имеет слабую интенсивность. Наряду с линиями атомарного водорода в спектре водородной трубки наблюдаются линии молекулярного водорода в виде слабых красно-жёлтых, зелёных и синих полос. Их не следует путать с чёткими линиями атомарного водорода.

Вращая барабан 7, совместите каждую из линий с указателем окуляра и снимите отсчёт барабана по указателю 11.

4.5. Повторите эту операцию три раза для каждой из четырёх линий спектра, подводя её к указателю окуляра с различных сторон. Результаты измерений (N 1 …N 3) запишите в таблицу 1.

4.6. Через 10 минут прибор отключится, обозначив отключение звонком. При необходимости повторного включения - повторите операции пунктов 4.1 и 4.2. Для экстренного выключения установки поверните ручку"ПОДГОТОВКА" против часовой стрелки. Табличные значения отсчётов барабана для каждой из линий вычисляйте по формулам (21…24)

Таблица 1

Расчеты по результатам измерений делаются на компьютере

Табличные значения отсчётов барабана для каждой из линий вычисляйте по формулам (21…24)

Величина абсолютной ошибки, возникающей при измерении числа делений барабана, определяется по формуле:

Длину волны каждой из линий спектра можно определить из градуировочного графика монохроматора. Однако проще это сделать с помощью интерполяционной формулы:

410.2+5.5493*10 -2 (N ср -753.3)2.060510 -7 (N ср - 753.3) 2 +

1.5700 *10 -8 (N ср -753.3) 3 (23)

Абсолютную ошибку в определении каждой из длин волн можно вычислить с помощью интерполяционной формулы, предварительно продифференцировав её по N СР:

d = 5.5493-10 -2 dNср- 4.121? 10 -7 (N ср - 753.3) dN ср +

4.7112?10 -8 (N c р - 753,3) 3 dN ср (24)

Теперь можно приступить к вычислению постоянных Ридберга и Планка по формулам (17) и (18) соответственно. Величина абсолютной ошибки в определении постоянной Ридберга вычисляется по формуле (19), а затем по формуле (20) вычисляется относительная ошибка в определении постоянной Планка.

Таким образом, для каждой из спектральных линий мы получаем свои значения постоянных Ридберга и Планка, которые, строго говоря, должны быть одинаковы для всех этих линий. Однако, в результате погрешностей в измерениях длин волн, эти значения несколько отличаются друг от друга.

Для получения окончательного ответа о величине определяемых постоянных, целесообразно поступить следующим образом. За величину постоянных Ридберга и Планка принять их среднее значение, а за величину абсолютной ошибки в их определении взять максимальную из ошибок. Необходимо только помнить, что величина ошибки округляется до первой значащей цифры. Значение постоянных округляется до цифры, имеющей такой же порядок, что и ошибка. Результаты вычислений занесите в таблицу 2.

Таблица 2.

В конце расчётов результаты выполненной работы запишите в виде:

R = (R ср ± R)?10 7 1/м

h = (h ср ± h)?10 -34 Дж·с

5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

5.1. На каких экспериментальных фактах основана модель атома водорода Бора?

5.2. Сформулируйте постулаты Бора.

5.3. Что представляет собой формула Бальмера?

5.4. Что представляет собой постоянная Ридберга?

5.5. В чем суть теории атома водорода Бора? Выведите формулу для радиуса первой и последующих боровских орбит электрона в атоме водорода.

5.6. Выведите формулу для положения энергетических уровней электрона в атоме водорода.

5.7. Что представляет собой энергетический спектр атома водорода? Назовите серии спектральных линий атома водорода. Что представляет собой отдельная серия спектральных линий атома водорода?

ЛИТЕРАТУРА

И.В. Савельев. Курс общей физики Т.3. Изд. М. “Наука“ 1988.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Представление об атомах как неделимых мельчайших частицах. Опыт Резерфорда по рассеянию альфа частиц. Рассмотрение линейчатого спектра атома водорода. Идея Бора о существовании в атомах стационарных состояний. Описание основных опытов Франка и Герца.

презентация , добавлен 30.07.2015

Определение структуры спектра атома, молекулы или образованной ими макросистемы их энергетическими уровнями. Спектры и структура атома водорода. Электронные состояния двухатомных молекул, электрические и оптические свойства. Молекулы с одинаковыми ядрами.

курсовая работа , добавлен 06.10.2009

Кинетическая энергия электрона. Дейбролевская и комптоновская длина волны. Масса покоя электрона. Расстояние электрона от ядра в невозбужденном атоме водорода. Видимая область линий спектра атома водорода. Дефект массы и удельная энергия связи дейтерия.

контрольная работа , добавлен 12.06.2013

Квантовая теория комптоновского рассеяния. Направление движения электрона отдачи. Давление света. Сериальные закономерности в спектрах атома водорода. Модель Томсона, Резерфорда. Постулаты Бора. Гипотеза де-Бройля. Элементы квантовомеханической теории.

презентация , добавлен 17.01.2014

Классификация элементарных частиц. Фундаментальные взаимодействия. Модель атома Резерфорда. Теория Бора для атома водорода. Атом водорода в квантовой механике. Квантово-механическое обоснование Периодического закона Д. Менделеева. Понятие радиоактивности.

реферат , добавлен 21.02.2010

Оптические свойства полупроводников. Механизмы поглощения света и его виды. Методы определения коэффициента поглощения. Пример расчета спектральной зависимости коэффициента поглощения селективно поглощающего покрытия в видимой и ИК части спектра.

реферат , добавлен 01.12.2010

Характеристика электрона в стационарных состояниях. Условие ортогональности сферических функций. Решения для радиальной функции. Схема энергетических состояний атома водорода и сериальные закономерности. Поправки, обусловленные спином электрона.

презентация , добавлен 19.02.2014

Принцип работы и особенности использования светофильтров, их назначение и основные функции. Методика выделения узкой части спектра при помощи комбинации фильтров Шотта. Порядок выделения одной или нескольких линий их спектра, различных цветов и оттенков.

реферат , добавлен 28.09.2009

Подготовка монохроматора к работе. Градуировка монохроматора. Наблюдение сплошного спектра излучения и спектров поглощения. Измерение длины волны излучения лазера. Исследование неизвестного спектра.

лабораторная работа , добавлен 13.03.2007

Исследование спектров поглощения электромагнитного излучения молекулами различных веществ. Основные законы светопоглощения. Изучение методов молекулярного анализа: колориметрии, фотоколориметрии и спектрофотомерии. Колориметрическое определение нитрита.

Спектральная линия излучается или поглощается в результате перехода между двумя дискретными уровнями энергии. Формулы, выведенные в предыдущей главе, позволяют получить представление о спектрах атома водорода и водородоподобных ионов.

14.1. Спектральные серии атома водорода

Спектральной серией называется совокупность переходов с общим нижним уровнем. Например, серию Лаймана атома водорода и водородоподобных ионов составляют переходы на первый уровень: n→ 1, где главное квантовое число верхнего уровня, или его номер n, принимает значения 2, 3, 4, 5 и т.д., а серию Бальмера - переходы n→ 2 для n > 2. В табл.14.1.1 приведены названия первых нескольких серий атома водорода.

Таблица 1 4.1.1 Спектральные серии атома водорода

	Названиесерии
n → 1	Лаймана (Ly )
n → 2	Бальмера (H)
n → 3	Пашена (P)
n → 4	Брекета (B)
n → 5	Пфунда (Pf)
n → 6	Хэмфри
n → 7	Хансена –Стронга

Серия Лаймана атома водорода целиком попадает в область вакуумного ультрафиолета. В оптическом диапазоне находится серия Бальмера, а в ближней инфракрасной области - серия Пашена. Первые несколько переходов любой серии нумеруются буквами греческого алфавита по схеме табл.14.1.2:

Таблица 14.1.2 Обозначения первых линий спектральной серии

D n

В результате спонтанного перехода с верхнего уровня i на нижний j атом излучает квант, энергия E ij которого равна разности

При радиационном переходе с j на i поглощается квант с такой же энергией. В планетарной модели атома водорода энергия уровней вычисляется по формуле (13.5.2), причём заряд ядра равен единице:

Разделив эту формулу на hc , получим волновое число перехода:

Длина волны в вакууме равна обратной величине волнового числа:

По мере увеличения номера верхнего уровня i длина волны перехода монотонно уменьшается. При этом линии неограниченно сближаются. Существует нижний предел длины волны серии, соответствующий границе ионизации. Он обычно обозначается индексом «С» рядом с символом серии. На рис.14.1.1 схематически изображены

переходы, а на рис.14.1.2 - спектральные линии лаймановской серии атома водорода.

Хорошо видно сгущение уровней и линий вблизи границы ионизации.

По формулам (1.3) и (1.4) с постоянной Ридберга (13.6.4) мы можем вычислить длины волн для любой серии атома водорода. В таблице 14.1.3 собраны сведения о первых

Таблица 14.1.3. Лаймановская серия атома водорода

n		E 12 , эВ	E 12 , Ry	Длина волны, Å
n		E 12 , эВ	E 12 , Ry	l эксп.	l теор.
	Ly a	10. 20	0.75	1215.67	1215.68
	Ly b	12.09	0.89	1025.72	1025.73
	Ly g	12.75	0.94	972.537	972.548
	Ly d	13.05	0.96	949.743	949.754
	Ly C	13.60	1.00	______	911.763

линиях серии Лаймана. В первом столбце приведён номер числа верхнего уровня n , во втором - обозначение перехода. В третьем и четвёртом содержится энергия перехода, соответственно, в электронвольтах и в ридбергах. В пятом помещены измеренные длины волны переходов, в шестом - их теоретические значения, вычисленные по планетарной модели. Излучение с l <2000Å сильно поглощается в земной атмосфере, поэтому длины волн серии Лаймана приведены для вакуума.

Хорошее согласие теории с экспериментом говорит о разумности положений, лежащих в основе теории Бора. Расхождение в сотых долях ангстрема обусловлено релятивистскими эффектами, о которых упоминалось в предыдущем разделе. Их мы рассмотрим ниже.

Формула (1.4) даёт длину волны в вакууме λ вак. . Для оптического диапазона (λ > 2000Å) в спектроскопических таблицах приводятся длины волн λ атм. , измеренные в условиях земной атмосферы. Переход к λ вак. выполняется умножением на показатель преломления N :

(1.5) λ вак. = N ·λ атм. .

Для показателя преломления воздуха при нормальной влажности справедлива следующая эмпирическая формула:

(1.6) N - 1 = 28.71·10 -5 (1+5.67·10 -3 λ 2 а тм. )

Здесь атмосферная длина волны выражена в микронах. В правую часть (1.6) можно подставить также λ вак. : незначительная ошибка в длине волны мало сказывается на величине N – 1.

Сведения о бальмеровской серии (j = 2) содержатся в табл.14.1.4. Экспериментальные значения длины волны перехода в пятом столбце даны для

Таблица 14.1.4 Бальмеровская серия водорода

n	Линия	Энергия перехода		Длина волны . , Å
n	Линия	эВ		Измерена в атмосфере	Теоретическая для вакуума	Теоретическая для атмосферы
	H a	1.89	0.14	6562.80	6564.70	6562.78
	H b	2.55	0.18	4861.32	4862.74	4861.27
	H g	2.86	0.21	4340.60	4341.73	4340.40
	H d	3.02	0.22	4101.73	4102.94	4101.66
		3.40	0.25	______	3647	3646

нормальных атмосферных условий. Теоретические длины волн, исправленные преломления по формулам (1.5) и (1.6), приведены в последнем столбце. Спектральные линии бальмеровской серии можно схематически изображены на

рис.14.1.3. Положение линии отмечено цветной линией; сверху - длина волны в ангстремах, снизу - принятое обозначение перехода. Головная линия H a находится в красном диапазоне спектра; обычно она оказывается самой сильной линией серии. Остальные переходы монотонно ослабевают по мере увеличения главного квантового числа верхнего номера. Линия H b расположена в сине–зелёном участке спектра, а остальные - в синей и фиолетовой областях.

Природа бальмеровского скачка

Бальмеровским скачком называется депрессия излучения в спектрах звёзд на длинах волн короче 3700Å. На рис.14.1.4 изображены регистрограммы спектров двух звёзд. Красная граница

фотоэффекта, обусловленного ионизацией атома водорода со второго уровня, помечена красной пунктирной линией (l =3646Å), а собственно бальмеровский скачок - синей (l =3700Å). На нижнем спектре отчётливо видна депрессия вблизи синей линии. Для сравнения сверху помещён спектр зв езды, не имеющий никаких особенностей в промежутке 3600 < l < 3700 Å.

Заметное расхождение красной и синей линий на рис.14.1.4 не позволяет считать фотоэффект непосредственной причиной рассматриваемого явления. Здесь важную роль играет наложение линий бальмеровской серии при больших значениях n . Вычислим разность длин волн ∆λ двух соседних переходов: i →2 и (i +1)→2. Дважды воспользуемся формулами (1.3), (1.4) при j = 2, заменив индекс i на n : Для n ? 1 можно пренебречь единицей по сравнению с n , а также четвёркой по сравнению с (n +1) 2:

Мы получили количественное выражение для упомянутого выше неограниченного сближения верхних членов любой серии водорода. Последняя формула при n > 10 имеет точность не хуже 5%.

Абсорбционные линии имеют определённую ширину, зависящую от физических условий в атмосфере звезды. В качестве грубого приближения её можно принять равной 1Å. Будем считать две линии неразличимыми, если ширина каждой из них равна расстоянию между линиями. Тогда из (1.7) получается, что слияние линий должно происходить при n ≈15. Примерно такая картина наблюдается в спектрах реальных звёзд. Итак, бальмеровский скачок определяется слиянием высоких членов бальмеровской серии. Подробнее этот вопрос мы обсудим в семнадцатой главе.

Бальмеровская серия дейтерия

Ядро тяжёлого изотопа водорода - дейтерия - состоит из протона и нейтрона, и приблизительно вдвое тяжелее ядра атома водорода - протона. Постоянная Ридберга у дейтерия R D (13.6.5) больше, чем у водорода R H , поэтому линии дейтерия смещены в синюю сторону спектра относительно линий водорода. Длины волн бальмеровской серии водорода и дейтерия, выраженные в ангстремах, приведены в табл. 14.1.5.

Таблица 14.1.5. Длины волн бальмеровской серии водорода и дейтерия.

		дейтерий
	6562.78
	4861.27
	4340.40
	4101.66

Атомный вес трития приблизительно равен трём. Его линии также подчиняются закону планетарной модели атома. Они смещены примерно на 0.6Å в синюю сторону относительно линий дейтерия.

14.2. Переходы между высоковозбуждёнными состояниями

Переходы между соседними уровнями атома водорода с номерами n > 60 попадают в сантиметровый и более длинноволновый диапазоны спектра, поэтому их называют «радиолиниями». Частоты переходов между уровнями с номерами i и j получаются из (1.3), если обе части формулы разделить на постоянную Планка h :

Постоянная Ридберга, выраженная в герцах, равна

Формулой, аналогичной (2.1), для состояний с n ? 1 можно пользоваться не только в случае водорода, но и для любого атома. Согласно материалу предыдущей главы, мы можем написать

где R (Гц) выражается через R ∞ (Гц) по формуле (13.8.1), как и R через R ∞ .

В настоящее время радиолинии стали мощным инструментом изучения межзвёздного газа. Они получаются в результате рекомбинации, то есть образования атома водорода при столкновении протона и электрона с одновременным излучением избыточной энергии в виде кванта света. Отсюда следует их другое название - рекомбинационные радиолинии. Их излучают диффузные и планетарные туманности, области нейтрального водорода вокруг областей ионизованного водорода и остатки сверхновых. Излучение радиолиний от космических объектов обнаружено в диапазоне длин волн от 1 мм до 21 м.

Система обозначения радиолиний аналогична оптическим переходам водорода. Линия обозначается тремя символами. Сначала записывается имя химического элемента (в данном случае - водорода), затем номер нижнего уровня и, наконец - греческая буква, с помощью которой зашифрована разность j - i :

Обозначение α β γ δ

Разность j - i 1 2 3 4

Например, H109α обозначает переход со 110–го на 109–й уровень водорода, а H137β - переход между его 139–м и 137–м уровнями. Приведём частоты и длины волн трёх переходов атома водорода, часто встречающихся в астрономической литературе:

Переход H66α H109α H137β

n (МГц)223645008.95005.03

l (см)1.3405.98535.9900

Линии H109α и H137β всегда видны раздельно, несмотря на то, что они очень близки в спектре. Это является следствием двух причин. Во–первых, методами радиоастрономии длины волн измеряются очень точно: с шестью, а иногда и с семью верными знаками (в оптическом диапазоне обычно получается не более пяти верных знаков). Во–вторых, сами линии в спокойных областях межзвёздной среды значительно ýже, чем линии в звёздных атмосферах. В разреженном межзвёздном газе единственным механизмом уширения линий остаётся эффект Доплера, в то время как в плотных атмосферах звёзд большую роль играет уширение давлением.

Постоянная Ридберга растет с увеличением атомного веса химического элемента. Поэтому линия He109α сдвинута в сторону бóльших частот, чем линия H109α. По аналогичной причине ещё выше частота перехода C109α.

Сказанное иллюстрируется рис.14.2.1, на котором приведён участок спектра типичной газовой туманности (NGC 1795). По горизонтальной оси отложена частота, измеренная в мегагерцах, по вертикальной - яркостная температура в градусах Кельвина. В поле рисунка указана доплеровская скорость туманности (–42.3 км/с), которая несколько меняет длины волн линий по сравнению с их лабораторными значениями.

14.3. Изоэлектронная последовательность водорода

Согласно определению, данному в четвёртом разделе седьмой главы, ионы, состоящие из ядра и одного электрона, называются водородоподобными. Другими словами, говорят, что они относятся к изоэлектронной последовательности водорода. Их структура качественно напоминает атом водорода, а положение энергетических уровней ионов, заряд ядра которых не слишком велик (Z < 10), может быть вычислено по простой формуле (13.5.2). Однако у многозарядных ионов (Z > 20) появляются количественные отличия, связанные с релятивистскими эффектами: зависимостью массы электрона от скорости и спин–орбитальным взаимодействием.

Оптические переходы иона HeII

Заряд ядра гелия равен двум, поэтому длины волн всех спектральных серий иона HeII в четыре раза меньше, чем у аналогичных переходов атома водорода: например, длина волны линии H a равна 1640Å.

Лаймановская и бальмеровская серии HeII лежат в ультрафиолетовой части спектра; а в оптический диапазон частично попадают серии Пашена (P ) и Брекета (B ). Наиболее интересные переходы собраны в табл.14.3.1. Как и в случае бальмеровской серии водорода, приведены «атмосферные» длины волн.

Таблица 14.3.1. Длины волн пашеновской и брекетовской серий иона HeII


Обозначение	P a	P b	B g	B e
Длина волны, Å	4686	3202	5411	4541

Постоянная Ридберга для гелия равна:

Отметим важную особенность иона HeII. Из 13.5.2 следует, что энергия уровня Zn водородоподобного иона с зарядом ядра Z , равна энергии уровня n атома водорода. Поэтому переходы между чётными уровнями 2n и 2m иона HeII и переходы n → m атома водорода имеют очень близкие длины волн. Отсутствие полного совпадения обусловлено, главным образом, различием значений R H и R He .

На рис. 14.3.1 сопоставлены схемы переходов атома водорода (слева) и иона HeII (справа). Пунктиром обозначены переходы HeII, практически совпадающие с бальмеровскими линиями водорода. Сплошными линиями отмечены переходы B γ , B ε и B η , для которых нет пары среди линий водорода. В верхней строке табл.14.3.2 приведены длины волн серии Брекета HeII, а в нижней - линии бальмеровской серии водорода. Линии серии Брекета называются также серией

Таблица 14.3.2. Серия Брекета иона HeII и серия Бальмера атома водорода

HeII

6560

(6 → 4)

B b

5411

(7 → 4)

B g

4859

(8 → 4)

B d

4541

(9 → 4)

B ε

4339
(10→4)

B ζ

4200
(11 → 4)

B η

4100

B θ

B 13

6563

H a

_______

4861

H b

_______

4340

H g

_______

4102

H d

______

Пикеринга , по фамилии директора Гарвардской обсерватории, впервые исследовавшего их в спектрах горячих звёзд южного неба. Отметим, что серия Пикеринга была удачно объяснена именно в рамках планетарной модели атома. Тем самым, она способствовала установлению современных взглядов на природу атома.

Приведённая масса выше у более тяжёлого химического элемента, поэтому уровень с номером 2m иона гелия лежит глубже уровня m атома водорода. Следовательно, линии серии Брекета HeII сдвинуты в синюю сторону относительно соответствующих переходов серии Бальмера. Относительная величина сдвига линий D l /l определяется в данном случае отношением постоянных Ридберга:

Абсолютное значение D l для l = 6560Å составляет примерно 3Å, в согласии с данными табл.(14.3.2).

Линии HeII, соответствующие переходам между уровнями с чётными номерами перекрываются с линиями водорода, так как ширины линий значительно больше расстояния между ними. Обычно линии водорода значительно сильнее линий гелия, но есть одно исключение - это звёзды типа Вольфа–Райе. Температура их атмосфер превышает 30000К, а содержание гелия по числу частиц в десять раз больше, чем водорода. Поэтому ионов гелия там много, а нейтрального водорода, наоборот, мало. В результате в спектрах звёзд Вольфа–Райе все линии водорода наблюдаются только как слабые добавки к линиям HeII. Содержание водорода в звёздах этого типа оценивается путём сравнения глубин линий брекетовской серии HeII с чётными и нечётными номерами верхнего уровня: первые несколько больше из-за дополнительного вклада водорода.

В спектрах нормальных звёзд самыми сильными линиями поглощения всегда остаются линии водорода, если температура атмосферы выше 10000К. На рис.14.3.2

приведена регистрограмма горячей звезды спектрального класса О3. На рисунке хорошо видны линии серии Пикеринга и три бальмеровские линии.
Другой пример взаимодействия линий водорода и HeII даёт переход P α иона HeII с длиной волны λ=4686Å. Эта линия в спектрах звёзд может наблюдаться как эмиссионная, в то время как следующий член пашеновской серии - l 3202Å - представляет собой обычную абсорбционную линию. Различие в поведении линий обусловлено тем, что населённость верхнего уровня (n = 4) линии l 4686 может быть значительно увеличена путём поглощения сильной линии Ly a водорода: длины волн переходов 2→1 атома водорода и 4→2 иона HeII очень близки. Этот процесс совершенно не влияет на излучение в линии l 3202Å, у которой оба уровня имеют нечётные номера (переход 5→3). Эффект взаимодействия ослабляется, если нижний уровень расположен достаточно высоко, например, l 5411 и l 4541. Последний используется в спектральной классификации звёзд как критерий температуры.

Многозарядные ионы

Планетарная модель, как мы убедились, является весьма эффективным инструментом исследования атома водорода и водородоподобных ионов. Однако она остаётся весьма грубым приближением к реальной структуре атомов и, в особенности, многокозарядных ионов. В табл.14.3.3 сопоставлены экспериментальные и теоретические длины волн резонансного перехода Ly a для нескольких водородоподобных ионов, представляющих интерес в астрономии. В первой строке таблицы приведены

Таблица 14.3.3. Длины волн резонансных переходов водородоподобных ионов

l теор , Å

l эксп . , Å

303.78при i =2 и j = 1, а в третьей - их экспериментальные значения. Если, согласно табл.14.1.3, у атома водорода расхождение с экспериментом наблюдается только в шестой значащей цифре, то у HeII - в пятой, у ионов CVI и OVIII - в четвёртой, а у FeXXVI - уже в третьей. Эти различия обусловлены релятивистскими эффектами, о которых мы писали в начале главы.

Исходя из (13.7.7), вычислим разность энергий второго и первого уровней:

Множитель перед левой скобкой равен энергии перехода в нерелятивистском приближении, он получается из (3.1a ) при j = 1 и i = 2:

Величина ΔE B соответствует теоретической длине волны из второй строки табл.(14.3.3). Теперь мы можем уточнить длину волны перехода. Для этого сопоставимотносительную величину релятивистской поправки

с относительной разностью

чисел из табл.(14.1.3). Результаты расчётов собраны в табл.(14.3.4).

Таблица 14.3 .4. Сопоставление релятивистской поправки с экспериментом

	HeII		OVIII	FeXXVI
d l	6.6(–5)	6.0(–4)	1.05(–3)	9.5(–3)
d R	6.6(–5)	6.0(–4)	1.06(–3)	1.1(–2)

Сравнение второй и третьей строк таблицы показывает, что можно получить хорошее согласие теории с экспериментом, даже оставаясь в рамках полуклассической модели круговых орбит.

Заметное расхождение между d R и d l присутствует у иона железа. Несмотря на небольшую величину, оно неустранимо в рамках применяемой модели: расчёты по формуле (13.7.5) не приводят к улучшению результата. Причина заключается в принципиальном недостатке планетарной модели с круговыми орбитами электронов: она связывает энергию уровня только с одним квантовым числом. В действительности верхний уровень резонансного перехода расщеплён на два подуровня. Такое расщепление называется тонкой структурой уровня. Именно оно вносит неопределённость в длину волны перехода. Тонкая структура есть у всех водородоподобных ионов, причём величина расщепления быстро растёт по мере увеличения заряда ядра. Для объяснения тонкой структуры нам придётся отказаться от простой модели круговых орбит. Оставаясь в рамках полуклассических представлений, перейдём к модели эллиптических орбит, которую называют моделью Бора–Зоммерфельда.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 10

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ

Целью настоящей работы является ознакомление со спектром водорода и натрия. В процессе её выполнения необходимо визуально наблюдать видимую часть спектра, измерить длины волн и по результатам этих измерений определить постоянную Ридберга.

Спектр излучения атома водорода состоит из отдельных резких линий и выделяется своей простотой. Ещё Бальмер (1885 г.), Ридберг (1890 г.) и Ритц (1908 г.) установили эмпирически, что спектральные линии водорода могут быть сгруппированы по сериям, причем длины волн выражаются с высокой точностью формулой:

где - волновое число; l -длина волны, в вакууме; R = 109677,581см -1 - постоянная Ридберга; n = 1, 2, 3, ...- натуральное число, постоянное для линий данной серии, которое может рассматриваться как номер серии; m = n + 1, n + 2, n + 3, ... - натуральное число, "нумерующее" линии данной серии.

Серия с n = 1 (серия Лаймана) целиком лежит в ультрафиолетовой части спектра. Серия, соответствующая n = 2 (серия Бальмера) имеет первые четыре линии в видимой области. Серии с n = 3 (Пашена), n = 4 (Брекетта), n = 5 (Пфунда) и так далее находятся в инфракрасном диапазоне.

Спектроскопия высокой разрешающей силы показывает, что сериальные линии (I) обладают тонкой структурой; каждая линия состоит из нескольких близко расположенных составляющих на расстоянии сотых долей ангстрема для видимой части спектра.

Теория Бора. Многочисленные попытки объяснить линейчатую структуру атомных спектров, в частности формулу (1), с точки зрения классической физики оказались безуспешными. В 1911 г. опыты Резерфорда установили ядерную модель атома, которая с точки зрения классической механики должна рассматриваться как совокупность электронов, движущихся вокруг ядра. По законам классической электродинамики такая модель атома неустойчива, так как вследствие ускорения, необходимого для криволинейного движения по орбитам, электроны должны излучать энергию в виде электромагнитных волн и вследствие этого быстро упасть на ядро. В 1913 г. Бор, отказавшись от классических представлений, построил теорию, совместимую с ядерной моделью атома и объяснявшую основные закономерности в спектре атома водорода и сходных с ним атомных систем.

Теория Бора основана на следующих допущениях-постулатах:

1. Атомная система имеет дискретные устойчивые стационарные состояния с определенной энергией, которые можно рассматривать с помощью обычной механики, но в которых система не излучает, даже если она должна излучать по классической электродинамике.

2. Излучение происходит при переходе из одного стационарного состояния в другое в виде кванта энергии hv монохроматического света (здесь v – частота излучения; h = 6,62 10 -27 эрг.сек - постоянная Планка).

3. В специальном случае движения по круговым орбитам стационарными являются только те орбиты, на которых момент количества движения P электрона кратен величине h/2p :

где n = 1, 2, 3,...; m e - масса электрона, r n - радиус n -й орбиты; V n - скорость электрона на n -й орбите.

В соответствии с законом сохранения энергии и первыми двумя постулатами Бора энергия кванта излучения при переходе между стационарными состояниями с энергиями E" и E"" равна

hv= E" - E"" . (3)

Если сравнивать формулы (1) и (3), то легко увидеть, что энергия стационарных состояний атома водорода принимает, с точностью до знака дискретный квантовый ряд значений:

где c - скорость света.

Рассмотрим атом, состоящий из ядра с зарядом Z e и одного электрона. Для водорода Z = 1, для однократно ионизированного гелия (He +) Z = 2, для дважды ионизированного лития (Li ++) Z = 3 и т.д. Сила кулоновского взаимодействия между ядром и электроном будет равна:

где r - расстояние между ядром и электроном. Под влиянием этой силы электрон движется вокруг ядра по эллиптической орбите, в частности, по окружности. Если отсчитывать потенциальную энергию U от её значения для бесконечно удаленного электрона, то

При движении по окружности центростремительная сила равна

откуда кинетическая энергия

Полная энергия

Из соотношений (2) и (7) находим для радиуса круговой стационарной орбиты

Равенство (10) показывает, что стационарные орбиты представляют собой окружности, радиусы которых растут пропорционально квадрату номера орбиты.

Подставляя (10) в (9), получаем энергию в стационарных состояниях (рис. 2):

Выражение (11) совпадает с (4), если положить

Величина (12) несколько отличается от значения постоянной Ридберга, найденной из спектроскопических измерений. Дело в том, что при выводе формулы (11) мы предполагали ядро неподвижным, тогда как в силу конечности своей массы оно вместе с электроном движется вокруг их общего центра инерции. Чтобы учесть это обстоятельство, достаточно вместо массы электрона ввести приведенную массу электрона и ядра:

где M - масса ядра.

Заменяя в (12) m e на m , получаем в случае атома водорода (M = M p ):

что прекрасно согласуется с экспериментом. Здесь R соответствует бесконечно большой массе ядра и совпадает с (12).

Выражение (14) показывает, что постоянная Ридберга для изотопов водорода (дейтерия с М д = 2М p и трития М Т = 3М p ), вследствие различия в приведённых массах, отличается от постоянной Ридберга R p для легкого водорода. Это хорошо согласуется с наблюдаемым сдвигом линий в спектрах дейтерия и трития по сравнению со спектром водорода (изотопический сдвиг).

Для описания более тонких эффектов, например расщепления спектральных линий, излучаемых атомами во внешнем поле, недостаточно рассмотрения только круговых орбит. Более общие условия стационарности, чем (2), пригодные для эллиптических орбит, были даны Зоммерфельдом в следующем виде: если механическая система с i -ми степенями свободы описывается обобщенными координатами q i и соответствующими обобщенными импульсами p i = ¶T/¶q i , то стационарны только те состояния системы, для которых

где n i - целые квантовые числа, а интегрирование распространяется на всю область изменения q i . В случае эллипса, описываемого полярными координатами r и j , имеем

где n j и n r - азимутальное и радиальное квантовые числа. В силу постоянства момента количества движения p j = const = p условие (16) дает, как и в случае круговой орбиты,

Соответствующий расчет показывает, что энергия электрона зависит от суммы n j +n r = n по формуле (11). n называют главным квантовым числом. Так как n j = 1, 2, ...n , при заданном n , имеется n эллиптических орбит с одинаковой энергией (11) и с различной величиной момента количества движения (18). Если рассмотреть третью степень свободы, то условие квантования (15) для неё приводит к тому, что каждая орбита может быть сориентирована в пространстве не произвольным образом, а лишь так, что проекция момента количества движения на любое фиксированное направление OZ может принимать 2n + 1 значений, кратных h/(2p) :

m = - n j , - n j + 1 , . . . . . n j - 1 , n j . (20)

Теория Бора – Зоммерфельда с полной отчетливостью показала неприменимость классической физики и первенствующее значение квантовых законов для микроскопических систем. Она объяснила основные закономерности в спектрах водородоподобных ионов, щелочных металлов, рентгеновских спектрах. В её рамках впервые получили объяснения закономерности периодической системы элементов. С другой стороны, теория не дала последовательного объяснения интенсивности и поляризации спектральных линий. Никак не удались попытки построить теорию простейшей двухэлектронной системы - атома гелия. Недостатки теории Бора являются следствием её внутренней противоречивости. Действительно, с одной стороны, она привлекает чуждые классической физике идеи квантования, а с другой - пользуется для описания стационарных состояний классической механикой. Наиболее правильную картину внутриатомных физических явлений дала последовательная квантовая теория - квантовая механика, по отношению к которой теория Бора явилась важнейшим переходным этапом.

Квантовомеханическое описание стационарных состояний. Основное отличие квантовой механики от теории Бора состоит в отказе от представления о движении электрона по классически определенной орбите. Применительно к микрочастице можно говорить не о её месте на траектории, а лишь о вероятности dW найти эту частицу в объеме dV , равной

dW = | Y (x, y, z)| 2 dx dy dz , (21)

где Y(x, y, z) - волновая функция, подчиняющаяся уравнению движения квантовой механики. В простейшем случае уравнение, полученное Шредингером для стационарных состояний, имеет вид

где E и U - полная и потенциальная энергии частицы с массой m е .

Вероятность пребывания электрона в единице объема Y|(x, y, z)| 2 , рассчитанная для каждой точки, создает представление об электронном облаке как о некотором статистическом распределении электронного заряда в пространстве. Каждое стационарное состояние характеризуется своим распределением электронной плотности, и переход из одного стационарного состояния в другое сопровождается изменением размеров и конфигурации электронного облака.

Плотность электронного облака является функцией расстояния от ядра r . Интересно отметить для сравнения с теорией Бора, что максимум радиальной плотности основного состояния атома водорода соответствует точке r , определяемой по формуле (10), т. е. наибольшее вероятное расстояние электрона от ядра в точности равно радиусу первой орбиты в теории Бора (рис. 1).

С увеличением размера электронного облака, как правило, увеличивается его энергия E n , характеризуемая главным квантовым числом n. Формой электронного облака определяется "орбитальный" момент количества движения р l , характеризуемый квантовым числом l .

Рис. 1. Распределение вероятностей для электрона в состояниях:

1 - n = 1, l = 0 и 2 - n = 2, l = 0

Ориентация облака определяет проекцию момента р lz в пространстве, характеризуемую квантовым числом m l . Кроме орбитального момента, электрон имеет собственный момент количества движения - спин р s , который может иметь в пространстве две ориентации, что характеризуется двумя значениями квантового числа m s = - 1/2 , + 1/2. Можно представить себе, что спиновый момент обусловлен вращением электрона вокруг своей оси (подобно тому, как вращается вокруг своей оси Земля, двигаясь по орбите вокруг Солнца). Эта простая картина удобна как наглядное геометрическое представление возможного происхождения спина. Строгое определение спина может дать только квантовая теория.

Согласно квантовой механике моменты количества движения и их проекции определяются следующими соотношениями:

Заметим, что правила квантования (18), (19) Бора – Зоммерфельда являются приближением к (23), (24) при больших l .

Таким образом, чтобы однозначно определить состояние электрона в атоме, можно задать четыре физические величины E n , p l , p lz , p sl , или, что то же самое, четверку квантовых чисел m, l, m l , m s . Значения этих квантовых чисел ограничены формулами (23) - (26).

n = 1, 2, 3, 4, ... ; (27)

l = 1, 2, 3, 4, ..., n - 1 ; m l = - l, - l + 1, ..., 0, ..., l - 1, l ;

m s = -1/2 , +1/2 .

Орбитальное число l = 0, 1, 2, 3, 4 и т.д. принято обозначать буквами s, p, d, f, q и далее по алфавиту.

Путем изменения четверки квантовых чисел можно получить всевозможные состояния атома. Последовательность заполнения этих электронных состояний определяется двумя принципами: принципом Паули и принципом наименьшей энергии.

Согласно принципу Паули, атом не может иметь двух электронов, обладающих одним и тем же набором квантовых чисел. По принципу наименьшей энергии заполнение электронных состояний происходит от низких значений энергии к высшим в последовательности

1s < 2s < 2p < 3s < 3p . (28)

В соответствии с принципом Паули и ограничениями (27) в состояниях с заданными n и l не может находиться более чем 2(2l + 1) электронов. Поэтому в s -состоянии (l = 0) может находиться не более двух электронов, в p -состоянии (l = 1) – не более шести электронов и так далее. В состоянии с данным квантовым главным числом n может находиться не более электронов.

Совокупность состояний с заданным n называется электронной оболочкой, совокупность состояний с заданной парой чисел n и l называется подоболочкой. Распределение электронов в атоме по подоболочкам называется электронной конфигурацией. Например, электронные конфигурации основных состояний атомов водорода, лития, гелия, натрия и т.д. имеют вид:

1s 1 (H)

1s 2 (He)

1s 2 2s 1 (Li)

1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 (Na) ,

где верхние индексы указывают число электронов в соответствующих подоболочках, а цифры, стоящие в ряду, - значение главного квантового числа n . Поясним правило написания электронных конфигураций на примере атома натрия Z = 11. Зная максимальное число электронов в состояниях s и p (2 и 6 соответственно), разместим 11 электронов, следуя вдоль неравенства (28) слева направо, тогда получаем 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 . Аналогичным образом получается электронная конфигурация других атомов.

Рис. 2. Диаграмма энергетических уровней и излучательных переходов атома водорода

Длины волн в спектре излучения ртути

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Включить блок питания монохроматора УМ-2 и ртутную лампу.

2. Пользуясь таблицей, провести градуировку монохроматора (построить график).

3. Включить газоразрядную трубку с натрием и определить длины волн в видимой части спектра, пользуясь графиком.

4. Определить постоянную Ридберга для каждой линии и найти среднее значение.

5. Определить потенциал ионизации атома натрия.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

1. Расскажите о теории строения атома, созданной Бором.

2. Чем отличается теория Бора от квантовомеханической теории?

3. Какие вы знаете квантовые числа? В чем состоит принцип Паули?