Навигация
 
атом-афил
<< В начало < Предыдущая Следующая > В конец >>

АТОМНЫЕ СПЕКТРЫ

спектры оптические, получающиеся при испускании или поглощении света (электромагнитных волн) свободными или слабо связанными атомами; такими спектрами обладают, в частности, одноатомные газы и пары. А. с. являются л и н е й ч ат ы м и - они состоят из отдельных с п е к т р а л ь н ы х л и н и й . А. с. наблюдаются в виде ярких цветных линий при свечении газов или паров в электрич. дуге или разряде (спектры испускания) и в виде тёмных линий (спектров поглощения). Каждая спектральная линия характеризуется определённой частотой колебаний v испускаемого или поглощаемого света и соответствует определённому квантовому переходу между уровнями энергии Et и Еи атома согласно соотношению: hv= Et - Eh, где h - Планка постоянная). Наряду с частотой спектральную линию можно характеризовать длиной волны X=c/v, волновым числом 1/Л = V1с (с - скорость света) и энергией фотона hv.

А. с. возникают при переходах между уровнями энергии внешних электронов атома и наблюдаются в видимой, ультрафиолетовой и близкой инфракрасной областях. Такими спектрами обладают как нейтральные, так и ионизованные атомы; их часто наз. соответственно дуговыми и искровыми спектрами (нейтральные атомы легко возбуждаются и дают спектры испускания в электрич. дугах, а положит. ионы возбуждаются труднее и дают спектры испускания преим. в искровых электрич. разрядах). Спектры ионизованных атомов смещены по отношению к спектрам нейтральных атомов в область больших частот, т. е. в ультрафиолетовую область. Это смещение тем больше, чем выше кратность ионизации атома - чем больше электронов он потерял. Спектры нейтрального атома и его последовательных ионов обозначают в спектроскопии цифрами I, II, III, ... В реально наблюдаемых спектрах часто присутствуют одновременно линии нейтрального и ионизованных атомов; так говорят, напр., о линиях Fel, Fell, Felll в спектре железа, соответствующих Fe, Fe+, Fe2+.

Линии А. с. образуют закономерные группы, наз. с п е к т р а л ь н ы м и с е р и я м и. Промежутки между линиями в серии убывают в сторону коротких длин волн, и линии сходятся к г р ан и ц е с е р и и. Наиболее прост спектр атома водорода. Волновые числа линий его спектра с огромной точностью определяются формулой Бальмера:

где n1 и n2 - значения главного квантового числа для уровней энергии, между к-рыми происходит квантовый переход

Жёлтая линия в спектре атома Na (дублет X = 5690 А и X =5696 А).

(см. Атом, рис. 1,6). Значение ni = l, 2, 3, ... определяет серию, а значение n2=n1 + 1, Ni + 2, n1+З,... определяет отд. линии данной серии; R - Ридберга постоянная (выраженная в волновых числах). При n1 = l получается серия Лайман а лежащая в далёкой ультрафиолетовой области спектра, при n1=2 - серия Бальмера, линии к-рой расположены в видимой и близкой ультрафиолетовой областях. Серии Пашена (n1 =3), Брэкета (n1 =4), Пфаунда (n1=5), Хамфри (n1=6) лежат в инфракрасной области спектра. Аналогичными спектрами, только с увеличенным в Z2 раз масштабом (Z - атомный номер), обладают водородоподобные ионы Не+, 1i2+, ...(спектры Hell, Lilll,...).

Спектры атомов щелочных металлов, обладающих одним внешним (оптическим) электроном помимо заполненных оболочек, схожи со спектром атома водорода, но смещены в область меньших частот; число спектральных серий увеличивается, а закономерности в расположении линий усложняются. Пример - спектр Na, атом которого обладает нормальной электронной конфигурацией Is2 2s2 2p6 3s (см. в ст. Атом - Заполнение электронных оболочек и слоев) с легко возбуждаемым внешним электроном 3s; переходу этого электрона из состояния 3s в состояние Зр соответствует жёлтая линия Na (д у б л ет X, = 5690А и Х.=569бА; см. рис.), с к-рой начинается т. н. г л а в н а я        с е р и я N a, члены к-рой соответствуют переходам между состоянием 3s и состояниями Зр, 4р, 5р,...; граница серии соответствует ионизации атома Na.

Для атомов с двумя или неск. внешними электронами спектры значительно усложняются, что обусловлено взаимодействием электронов. А. с. особенно сложны для атомов с заполняющимися а- и f-оболочками; число линий доходит до многих тысяч, и уже нельзя обнаружить простых серий, аналогичных сериям в спектрах водорода и щелочных металлов. Однако и в сложных спектрах можно установить определённые закономерности в расположении линий, произвести систематику спектра и определить схему уровней энергии.

Систематика спектров атомов с двумя или более внешними электронами основана на приближённой характеристике отдельных электронов при помощи квантовых чисел п и L (см. Атом) с учётом взаимодействия этих электронов друг с другом. При этом приходится учитывать электростатич. взаимодействия электронов - отталкивание по закону Кулона, и магнитные взаимодействия спиновых и орбитальных моментов (см. Спин, Спин-орбитальное взаимодействие), к-рые приводят к тонкому расщеплению уровней энергии (см. Тонкая структура). Благодаря этому у большинства атомов спектральные линии представляют собой более или менее тесную группу линий, называемую мультиплетом. Так, у всех щелочных металлов линии двойные (д у б-л е т ы), причём расстояния между мультиплетными уровнями увеличиваются с увеличением атомного номера элемента. У щёлочноземельных элементов наблюдаются одиночные линии (сингулеты) и тройные (т р и п л е т ы). Спектры следующих столбцов таблицы Менделеева образуют всё более сложные мультипле-ты, причём нечётным столбцам соответствуют чётные мультиплеты, а чётным столбцам - нечётные.

Кроме тонкой структуры, в А. с. наблюдается сверхтонкая структура, обусловленная магнитными моментами ядер. Сверхтонкая структура по порядку величины в 1000 раз уже обычной муль-типлетной структуры и исследуется методами радиоспектроскопии.

В А. с. проявляются не все переходы между уровнями энергии данного атома или иона, а лишь вполне определённые, допускаемые (разрешённые) т. н. отбора правилами, зависящими от характеристик уровней энергии. В случае одного внешнего электрона возможны лишь переходы, для к-рых азимутальное квантовое число / увеличивается или уменьшается на 1; правило отбора имеет вид: дl = ±1. В результате s-уровни (l=0) комбинируют с р-уровня-ми (L = 1), р-уровни -с d-уровнями (L = 2) и т. д., что определяет возможные спектральные серии для атомов щелочных металлов, частный случай которых представляет главная серия Na (переходы 3s>np, где n=3, 4, 5,...); другие переходы этим правилом отбора запрещены. Для многоэлектронных атомов правила отбора имеют более сложный пил.

Количественной характеристикой разрешённого оптич. перехода является его в е р о я т н о с т ь (см. Вероятность перехода), определяющая, как часто этот переход может происходить; вероятность запрещённых переходов равна нулю. От вероятностей переходов зависят и н т е н с и в н о с т и спектральных линий. В простейших случаях вероятности переходов для А. с. могут быть рассчитаны по методам квантовой механики.

Наряду с изучением А. с. для свободных атомов значительный интерес представляет исследование изменений в А. с. при внешних воздействиях на атомы. Под действием внешнего магнитного или электрич. поля происходит расщепление уровней энергии атома и соответствующее расщепление спектральных линий (см. Зеемана явление я Штарка явление).

Исследование А. с. сыграло важную роль в развитии представлений о строении атома (см. Атомная физика). Методы, основанные на изучении А. с., очень широко распространены в различных областях науки и техники. А. с. позволяют определить ряд весьма важных характеристик атомов и получить ценные сведения о строении электронных оболочек атома. Чрезвычайно существенно применение А. с. в эмиссионном спектральном анализе (по А. с. испускания), к-рый благодаря высокой чувствительности, быстроте и универсальности завоевал прочное место в металлургии, горнорудной пром-сти, машиностроении и во многих др. отраслях нар. х-ва; наряду с эмиссионным спектральным анализом успешно применяют и абсорбционный спектральный анализ (по А. с. поглощения).

Лит.: Шпольский Э. В., Атомная физика, 5 изд.. т. 1, М., 1963, т. 2, М.. 195U ф р и ш С. Э., Оптические спектры атомов"

М.- Л., 1963; Ельяшевич М. А., Атомная и молекулярная спектроскопия, М., 1962. М. А. Ельяшевич.



 
Большая советская энциклопедия
  [ АННОТАЦИЯ]   [а-абон]   [аборд-авар]   [авач-австрич]   [австрия - автомот]   [автомут-аграм]   [агран-аджз]   [аджи-азер]   [азеф-айя]   [ака-акоп]   [акост-акур]   [акус-алейж]   [алейк-ален]   [алеп-алле]   [алли-альбен]   [альбер-альп]   [альт-амап]   [амар-амим]   [амин-амуд]   [амул-анан]   [анап-андез]   [андер-анип]   [анис-антен]   [антер-антон]   [антоф-апел]   [апен-апшер]   [ар-аргум]   [аргун-аркт]   [арл-арсен]   [арсин-арха]   [архе-аса]   [асб-ассиз]   [ассим-астроп]   [астрос-атол]   атом-афил   [афин-ацет]   [ацид-аяч]