I. Волновые свойства электрона и атомные спектры

1.1.Лучистая энергия, квантовая теория, линейчатые спектры

Лучистая энергия всех типов называется также электромаг­нитным излучением, распространяется в вакууме со скоростью 3∙10⁸ м/с, называемой "скоростью света". Любая лучистая энер­гия обладает волновыми свойствами, подобно волнам, распрост­раняющимся по поверхности воды. Всякий процесс распростране­ния волн характеризуется длиной волны (обозначается гречес­кой буквой "лямбда", λ), амплитудой и частотой (обозначается греческой буквой "ню", ν), равной числу колебаний движущей­ся волны, которые проходят через какую-либо фиксированную точ­ку за единицу времени. Скорость, распространения волн с пос­тоянная для всех видов электромагнитного излучения, равна произведению частоты ν на длину волны λи измеряется в Гц. Отношение 1/ λ называется волновым числом . Волновое число измеряется в обратных сантиметрах, см^-1. Коли­чественное соотношение между частотой и энергией излучения установлено квантовой теорией М.Планка, согласно которой количество энергии, приобретаемое или теряемое, на атомном уров­не при поглощении или испускании излучения, должно быть цело­численным кратным от частоты лучистой энергии. Если обозначить изменение энергии как ∆Е, то по теории Планка E=hν, 2hν, 3hν и т.д., мельчайшая порция энергии заданной частоты ν равна hν и называется квантом энергии, где h - постоянная Планка и имеет значение 6,62∙10^-34 Дж.с.

Все атомы и молекулы поглощают свет с определенными ха­рактеристическими частотами. Распределение частот поглощения называется спектром поглощения и служит опознавательным приз­наком атомов или молекул. Атом, обладающий избыточной энергией, испускает свет, спектр которого носит название спектра испус­кания. Излучение с одной длиной волны называется монохромати­ческим. Если излучение от такого источника разложить на моно­хроматические компоненты, получится спектр. Гамма цветов, со­держащая свет всех длин волн, называется непрерывным спектром (радуга).

Энергия электрона в атоме водорода зависит от занимаемой им орбиты и выражается соотношением

для лю­бого другого атома в преобразованном виде (1)

где R_H -постоянная Ридберга, равная 2,18 ∙10^-18Дж, 109,678 см^-1, или 13,6 эВ

(I эВ= 1,60219 ∙10^-19Дж).

Из уравнения (1) следует, что когда электрон находится на ближайшей к ядру орбите с_n = 1, его энергия равна -2,18∙10^-18 Дж, когда электрон находится на второй орбите с n= 2, его энергия равна E₂=(-1,18∙10^-18Дж) 1/(2²)= -5,45∙10^-18Дж. Отрицательный знак энергии электрона в правой части уравнения (1) означает его устойчивость по отношению к некоторому услов­ному состоянию: чем более отрицательна энергия системы, тем система более устойчива.

Когда электрон переходит с одной орбиты на другую, име­ющую больший радиус, происходит поглощение лучистой энергии, т.к. для перемещения электрона на большее расстояние от ядра требуется энергия. И наоборот, при переходе электрона с боль­шей орбиты на другую, имеющую меньший радиус, происходит ис­пускание энергии. Изменение энергии ∆Е определяется разностью между конечным состоянием электрона с энергией E_f и исходным состоянием электрона c энергией

E_i ∆E=E_f-E_i (2)

Подставив в уравнение (2) выражение (1) для энергии электрона, получим ∆E=(-Eн/n²_f)- (-Rн/n²_i)= Rн(1/n_i²-I/n²_f) a, так как ∆E =hν, то

hν = Rн((1/n_i² -1/n²_f) (3)

где n_i и n_f- квантовые числа ис­ходного и конечного состояний соответственно.

Когда электрон находится на какой-либо более высокой по энергии - орбите, например, с n=2, и больше, то считают, что атом находится в электронно-возбужденном состоянии. Изменение энер­гии ∆Е определяется разностью между конечным состоянием электрона с энергией Еf и исходным состоянием электрона с энер­гией E_i:∆E= Е_f – E_i. Согласно волновой механике электрон обладает двойственной природой. Луи де Бройль предположил, что длина волны, характерная для электрона или любой другой частицы, зависит от их массы m искорости v следующим обра­зом: λ=h/mv, где h - постоянная Планка. Произведение m∙vдля любого тела называется его импульсом.

Дата добавления: 2015-05-26