Природа спектров и структура атомов

Спектр электромагнитного излучения - упорядоченная по длинам совокупность монохроматических волн, на которую разлагается свет или иное электромагнитное излучение. Типичный пример спектра – хорошо известная всем радуга.

Каждый атом и молекула имеют уникальное строение, которому соответствует свой уникальный спектр.

При электрическом или тепловом возбуждении атомы или молекулы различных сплавов способны излучать электромагнитные волны. Спектры излучения состоят из отдельных спектральных линий, которые закономерно могут быть объединены в серии.

Исследования спектров излучения разряженных газов (т.е. спектров излучения отдельных атомов) показали, что каждому газу присущ определенный линейчатый спектр, состоящий из отдельных спектральных линий или групп близко расположенных линий. Самым изученным является спектр наиболее простого атома – атома водорода [1].

Швейцарский ученый И. Бальмер подобрал эмпирическую формулу, описывающую все известные в то время спектральные линии атома водорода в видимой области спектра:

= R’ ( – ) (n=3, 4, 5, …), (1)

где R’ = 1,10 – постоянная Ридберга.

Так как

ν = R () (n=3, 4, 5, …), (2)

где R = R’c = 3,29 * – также постоянная Ридберга.

Из выражений (1) и (2) вытекает, что спектральные линии, отличающиеся различными значениями n, образуют группу или серию линий, называемую серией Бальмера. С увеличением nлинии серии сближаются; значение n=∞ определяет границу серии, к которой со стороны больших частот примыкает сплошной спектр.

В дальнейшем в спектре атома водорода было обнаружено еще несколько серий. В ультрафиолетовой области спектра находится серия Лаймана:

ν = R () (n=2, 3, 4, …).

В инфракрасной области спектра были также обнаружены:

серия Пашена ν = R () (n=4, 5, 6, …);

серия Брэкета ν = R () (n=5, 6, 7, …);

серия Пфунда ν = R () (n= 6, 7, 8, …);

серия Хэмфри ν = R () (n= 7, 8, 9, …).

Риc. 1.1

Все приведенные выше серии в спектре атома водорода могут быть описаны одной формулой, называемой обобщенной формулой Бальмера:

ν = R (),

где m имеет в каждой данной серии постоянное значение, m= 1,2,3,4,5,6 (определяет серию), nпринимает целочисленные значения начиная с m+1 (определяет отдельные линии этой серии).

Исследование более сплошных спектров – спектров паров щелочных металлов (например, Li, Na, K) – показало, что они представляются набором незакономерно расположенных линий. Ридбергу удалось разделить их на три серии, каждая из которых располагается подобно линиям бальмеровской серии [3].

Совокупность всех частот (длин волн) электромагнитного излучения называют электромагнитным спектром. Интервал длин волн разбивают на области:

· ультрафиолетовая (УФ);

· видимая;

· инфракрасная (ИК).

Рис.1.2 Области оптического излучения

Видимый спектр простирается от 750 нм (красная граница) до 400 нм (фиолетовая граница). Свет этих длин волн воспринимается человеческим глазом, и именно на эту область приходится большое число спектральных линий атомов. Энергии, которую сообщают молекуле вещества излучения УФ- и видимой части спектра, достаточно, чтобы вызвать изменение электронного состояния молекулы. Энергия ИК-лучей меньше, поэтому ее оказывается достаточно только для того, чтобы вызвать изменение энергии колебательных и вращательных переходов в молекуле вещества. Таким образом, в различных частях спектра можно получить различную информацию о состоянии, свойствах и строении веществ.

Структура спектра атома, молекулы или образованной ими макросистемы определяется их энергетическими уровнями. Согласно законам квантовой механики, каждый энергетический уровень соответствует определенному квантовому состоянию. Электроны и ядра в таком состоянии совершают характерные периодические движения, для которых энергия, орбитальный момент количества движения и другие физические величины строго определены и квантованы, т.е. принимают лишь разрешенные дискретные значения, соответствующие целым и полуцелым значениям квантовых чисел. Если известны силы, связывающие электроны и ядра в единую систему, то по законам квантовой механики можно рассчитать ее уровни энергии и квантовые числа, а также предсказать интенсивности и частоты спектральных линий. С другой стороны, анализируя спектр конкретной системы, можно определить энергии и квантовые числа состояний, а также сделать выводы относительно действующих в ней сил. Таким образом, спектроскопия является основным источником сведений о квантово-механических величинах и о строении атомов и молекул.