Энергетические состояния и спектры атомов щелочных элементов. Мультиплетность спектров и спин электрона

Спектры щелочных металлов, в частности, спектр атома натрия (Na), обнаруживают большое сходство со спектром водорода.

Спектры щелочных металлов испускаются при переходе внешнего валентного электрона с возбужденных энергетических уровней на основной уровень.

Такой атом можно представить как квазиводородоподобный атом, в котором валентный электрон () движется в эффективном поле атомного остова, образованного ядром () и электронами внутренних оболочек , и имеющего заряд . Однако эффективное поле атомного остова уже не будет кулоновским

С точки зрения квантовой механики вероятность проникновения валентного электрона вглубь атомного остова не равна нулю: внешнего электрона будет деформировать оболочку внутренних электронов - эффективный заряд, воздействующий на рассматриваемый электрон, не будет равен , но для данного будет оставаться постоянным. Учесть этот эффективный заряд можно с помощью поправки к главному квантовому числу.

.

Поправка к главному квантовому числу называется квантовым дефектом и зависит от квантового числа и от рода атома. С возрастанием роль поправки ослабевает.

	0,412	0,041	0,002	0,000
	1,373	0,883	0,010	0,001
	2,230	1,776	0,146	0,012

Спектральные термы для атомов щелочных элементов можно рассчитывать по эмпирической формуле

,

где - постоянная Ридберга.

Схема энергетических уровней для

Исследование спектров излучения атомов, в том числе водорода и натрия, показало, что спектральные линии, при внимательном рассмотрении, состоят из нескольких компонент – близко расположенных линий - мультиплетов (из двух компонент – дублеты, из трех – триплеты, из четырех – квартеты и т.д.).

Структура спектра, отражающая расщепление линий на компоненты, называется тонкой структурой.

Объяснить такое расщепление спектральных линий можно с помощью спин-орбитального взаимодействия.

Электрон в атоме обладает орбитальными механическим и магнитным моментами, а также собственными механическим и магнитным моментами. Геометрическая сумма механических моментов определяет полный механический момент электрона

и

где - квантовое число полного момента импульса электрона, оно принимает значения или (т.к. , то всегда принимает полуцелые значения).

С механическими моментами электрона связаны его магнитные моменты, которые должны взаимодействовать друг с другом. В зависимости от их взаимной ориентации в пространстве, энергия энергия спин-орбитального взаимодействия будет разной.

Объяснение влияние магнитного поля, обусловленного орбитальным движением электрона, на собственный магнитный момент атома.

Энергия взаимодействия спинового магнитного момента с этим полем будет

,

если и сонаправлены и . Если же и направлены противоположно, то и энергия взаимодействия будет минимальной

.

Квантовое число характеризует состояния с различными взаимными ориентациями и , имеющими разные энергии, т.е. уровни энергии будут расщепляться.

- состояние не расщепляется, т.к. и .

- состояние () расщепится на два состояния

и .

Переход электрона из - в - состояние и из - в - состояние приводит к появлению ряда дублетных линий, связанному с наличием спина.

При переходах должно выполняться правило отбора , .

Проекция полного механического момента импульса на произвольную ось

,

где квантовое число (или ) и принимает - значений.

Для электрона в - состоянии (, , , ) и .

Полный механический момент и проекция момента:

и .

Электрон в - состоянии (, , ) характеризуется квантовыми числами

и .

На схеме энергетических уровней термы с различными принято обозначать буквами:

, , , и т.д.

Терм имеет - это синглетное состояние, обозначаемое . Каждый терм расщепляется на два - () и (). Термы и также представляют собой дублеты и , и .

Спектральные серии .

- резкая серия (= 4.5…). Расщепление обусловлено расщеплением уровня на и . Компоненты являются резкими линиями, поэтому серия получила название резкой.

- главная серия (…).Наиболее интенсивной является желтая резонансная линия , возникающая при переходах и (589,6 нм и 589,0 нм).

- диффузная серия (…). Эта серия возникает при переходах на двойной уровень с вышележащих двойных уровней. Спектральные линии диффузной серии – триплеты, т.к. переходы запрещены правилами отбора (для них ).

- основная серия (…). Эта серия является водородоподобной.

Дата добавления: 2014-01-11