СПЕКТРЫ ИЗЛУЧЕНИЯ АТОМОВ

Сведения о структуре электронной оболочки атомов получены при анализе испускаемого ими спектра, когда внешнее воздействие на атомы сведено к минимуму (излучение разреженного газа). Дополнительные сведения получаются при изучении спектра излучения атомов, помещенных во внешнее электрическое и магнитное поле. Рассмотрим сначала спектр излучения свободных атомов; пронумеруем дискретные значения энергии возбужденного атома, начиная с наименьшего (не возбужденного) состояния:

где энергия основного состояния атома, остальные соответствуют возбужденным состояниям. Нас может интересовать:

1) состав спектра (какие частоты колебаний или длины волн имеются в изучении данного атома);

2) относительная интенсивность спектральных линий;

3) ширина каждой спектральной линии (см. § 9);

Состав спектра излучения определяется возможными переходами из состояний с большей энергией в какое-нибудь состояние с низшей энергией; излучаемые атомом частоты определяются по формуле

Однако выяснилось, что не все переходы осуществляются с одинаковой вероятностью; некоторое переходы реализуются настолько редко, что соответствующие им спектральные линии имеют чрезвычайно малую интенсивность или вовсе не регистрируются; такие переходы называются запрещенными. Квантовая физика, рассчитывающая вероятности нахождения электрона в различных местах атома, позволяет решать и задачу о вероятности перехода. Например, эта вероятность оказалась большой для переходов, при которых квантовое число I изменяется на единицу: или если внутреннее квантовое число изменяется на (правило отбора квантовых переходов в атомах). Таким образом, не только состав спектра, но и наблюдаемые относительные интенсивности спектральных линий получают теоретическое объяснение.

Некоторые атомы имеют структуру, отличающуюся от атома водорода только зарядом и массой ядра (например, ионизированные атомы гелия и лития с одним электроном). Спектр излучения таких «водоро-доподобных» атомов по структуре не отличается от спектра водорода, а формула для энергии состояний содержит число элементарных зарядов ядра

где номер возбужденного состояния.

Сравнительно легко можно группировать спектральные линии в излучении таких атомов, которые состоят из ядра, окруженного «компактной» электронной оболочкой (с заполненными уровнями и единственного электрона, вращающегося на относительно больших расстояниях от ядра и оболочки (щелочные элементы). Энергия возбужденных состояний таких атомов представляется в виде

где постоянная величина, некоторая поправка, учитывающая взаимодействие наружного электрона с ядром и остальными электронами.

Ширина спектральных линий атомов определяется временем пребывания их в возбужденных состояниях. Если излучающий атом не подвергается внешним воздействиям, то ширина спектральной линии (называемая естественной) может быть вычислена при помощи

соотношения неопределенностей Гейзенберга (см. § 10). Так как значения энергии уровней могут быть известны только с неточностью где время пребывания атома в возбужденном состоянии, то частота колебаний будет иметь естественный разброс, равный . У атомов, находящихся во внешнем электрическом или магнитном поле или под воздействием соседних атомов, время пребывания в возбужденных состояниях уменьшается, и это вызывает дополнительное увеличение ширины спектральных линий.