Спектры излучения атомов

1. С появлением первых спектральных приборов началось изучение спектров излучения и поглощения различных тел. К началу ХХ в. Было известно, что раскаленные тела излучают сплошной спектр, в котором излучение происходит на любой длине волны из широкого диапазона. Газы в атомарном состоянии дают линейчатый спектр, содержащий большое количество более-менее узких спектральных линий. Линейчатый спектр дают также ионы атомов. В молекулярном состоянии газы излучают полосатые спектры. При малой разрешающей силе спектрального прибора полосы в этих спектрах кажутся сплошными, но применение приборов с большой разрешающей силой (отражательных решеток с большим числом штрихов) показало, что эти полосы распадаются на множество тесно расположенных отдельных спектральных линий.

В 1885 году швейцарский физик Бальмер, изучая спектр излучения атомов водорода, обнаружил, что длины волн четырех спектральных линий в видимой области спектра описываются формулой

, ,

где

В дальнейшем были обнаружены спектральные линии, соответствующие номерам , которые лежали в инфракрасной области спектра. Данную группу спектральных линий стали называть серией Бальмера.

Ради удобства эту формулу стали записывать в перевернутом виде

,

а величину, обратную длине волны стали называть спектроскопическим квантовым числом.

До 1983г. положение спектральной линии в спектре характеризовалось только длиной волны , хотя частота более удобна для выражения спектральных закономерностей. Причина этого заключалась в том, что спектральная аппаратура позволяла определять длину волны с точностью до седьмого десятичного знака, а измерение скорости света производилось с гораздо худшей точностью. Только после того, как на основе методов нелинейной оптики научились измерять частоту световых колебаний с точностью, превышающей точность измерения длины волны, генеральная конференция по мерам и весам в 1983г. приняла новое определение метра. Согласно этому определению скорость света в вакууме принимается равной

.

Метр же определяется через расстояние проходимое светом в вакууме за одну секунду. Это позволяет определять положение спектральной линии в спектре излучения частотой, что, как уже говорилось, более удобно для выражения спектральных закономерностей.

2. Основным законом спектроскопии, установленным в 1908г. является комбинационный принцип Ритца. Он заключается в том, что все многообразие частот спектральных линий рассматриваемого атома можно получить путем попарных комбинаций гораздо меньшего числа величин, называемых спектральными термами. Частота спектральной линии выражается разностью двух термов

. (1)

Термы имеют положительные значения и уменьшаются при увеличении номера терма ( для ). Условно термы можно изобразить в виде горизонтальных линий, а переходы между ними в виде вертикальных стрелок. На этой диаграмме вертикальная ось в определенном масштабе отражает величину терма.

Если фиксировать и придавать различные значения, начиная с , то получится система линий, называемая спектральной серией. Совокупность всех серий составляет спектр рассматриваемого элемента.

Если и - две частоты спектральных линий одной и той же серии, то вычитая из второго равенства первое получим частоты спектральной линии, принадлежащей к серии с начальным термом

.

Из комбинационного принципа следует, что разность частот двух спектральных линий одной серии дает частоту другой серии того же атома. Вообще говоря, такой линии в спектре может и не оказаться, так как на комбинации термов друг с другом накладываются некоторые ограничения, называемые правилами отбора.

Аналитические выражения для термов большинства атомов не известны. В некоторых случаях для термов можно записать эмпирические или полуэмпирические выражения. Исключение составляет простейший атом - атом водорода. Для атома водорода терм с высокой точностью определяется по формуле

( = 1, 2, 3,…), (2)

где постоянная Ридберга для атома водорода имеет численное значение

.

Для атома водорода частоты всех спектральных линий описываются формулой

, где . (3)

Для фиксированного значения эта формула определяет частоты определенной серии линий. При получаем серию Лаймана, при - серию Бальмера, при - серию Пашена и т.д.

Серия Пашена

, где m = 4, 5, 6,….

была предсказана Ритцем в 1908г. на основе комбинационного принципа и экспериментально обнаружена Пашеном в том же году в инфракрасной области спектра

Максимальная длина волны для серии Лаймана получается при

.

Соответствующая линия называется резонансной линией водорода.

Максимальная частота (минимальная длина волны) в каждой серии получается при . Такая частота называется границей серии. Для серии Лаймана она равна , для серии Бальмера - и т.д.

При приближении к границе серии спектральные линии сгущаются: разность длин волн между ними стремится к нулю; стремятся к нулю и интенсивности линий. За границей серии спектр становится сплошным. Эта закономерность проявляется не только у водорода, но и у других элементов. У них тоже существуют границы серий, за которыми следует сплошной спектр.

Дата добавления: 2014-11-29