ÑÏÅÊÒÐÛ ÈÇËÓ×ÅÍÈß ÀÒÎÌÎÂ
Ñâåäåíèÿ î ñòðóêòóðå ýëåêòðîííîé îáîëî÷êè àòîìîâ ïîëó÷åíû ïðè àíàëèçå èñïóñêàåìîãî èìè ñïåêòðà, êîãäà âíåøíåå âîçäåéñòâèå íà àòîìû ñâåäåíî ê ìèíèìóìó (èçëó÷åíèå ðàçðåæåííîãî ãàçà). Äîïîëíèòåëüíûå ñâåäåíèÿ ïîëó÷àþòñÿ ïðè èçó÷åíèè ñïåêòðà èçëó÷åíèÿ àòîìîâ, ïîìåùåííûõ âî âíåøíåå ýëåêòðè÷åñêîå è ìàãíèòíîå ïîëå. Ðàññìîòðèì ñíà÷àëà ñïåêòð èçëó÷åíèÿ ñâîáîäíûõ àòîìîâ; ïðîíóìåðóåì äèñêðåòíûå çíà÷åíèÿ ýíåðãèè âîçáóæäåííîãî àòîìà, íà÷èíàÿ ñ íàèìåíüøåãî (íå âîçáóæäåííîãî) ñîñòîÿíèÿ:
ãäå
ýíåðãèÿ îñíîâíîãî ñîñòîÿíèÿ àòîìà, îñòàëüíûå ñîîòâåòñòâóþò âîçáóæäåííûì ñîñòîÿíèÿì. Íàñ ìîæåò èíòåðåñîâàòü:
1) ñîñòàâ ñïåêòðà (êàêèå ÷àñòîòû êîëåáàíèé èëè äëèíû âîëí èìåþòñÿ â èçó÷åíèè äàííîãî àòîìà);
2) îòíîñèòåëüíàÿ èíòåíñèâíîñòü ñïåêòðàëüíûõ ëèíèé;
3) øèðèíà êàæäîé ñïåêòðàëüíîé ëèíèè (ñì. § 9);
Ñîñòàâ ñïåêòðà èçëó÷åíèÿ îïðåäåëÿåòñÿ âîçìîæíûìè ïåðåõîäàìè èç ñîñòîÿíèé ñ áîëüøåé ýíåðãèåé â êàêîå-íèáóäü ñîñòîÿíèå ñ íèçøåé ýíåðãèåé; èçëó÷àåìûå àòîìîì ÷àñòîòû îïðåäåëÿþòñÿ ïî ôîðìóëå
Îäíàêî âûÿñíèëîñü, ÷òî íå âñå ïåðåõîäû îñóùåñòâëÿþòñÿ ñ îäèíàêîâîé âåðîÿòíîñòüþ; íåêîòîðîå ïåðåõîäû ðåàëèçóþòñÿ íàñòîëüêî ðåäêî, ÷òî ñîîòâåòñòâóþùèå èì ñïåêòðàëüíûå ëèíèè èìåþò ÷ðåçâû÷àéíî ìàëóþ èíòåíñèâíîñòü èëè âîâñå íå ðåãèñòðèðóþòñÿ; òàêèå ïåðåõîäû íàçûâàþòñÿ çàïðåùåííûìè. Êâàíòîâàÿ ôèçèêà, ðàññ÷èòûâàþùàÿ âåðîÿòíîñòè íàõîæäåíèÿ ýëåêòðîíà â ðàçëè÷íûõ ìåñòàõ àòîìà, ïîçâîëÿåò ðåøàòü è çàäà÷ó î âåðîÿòíîñòè ïåðåõîäà. Íàïðèìåð, ýòà âåðîÿòíîñòü îêàçàëàñü áîëüøîé äëÿ ïåðåõîäîâ, ïðè êîòîðûõ êâàíòîâîå ÷èñëî I èçìåíÿåòñÿ íà åäèíèöó:
èëè åñëè âíóòðåííåå êâàíòîâîå ÷èñëî èçìåíÿåòñÿ íà
(ïðàâèëî îòáîðà êâàíòîâûõ ïåðåõîäîâ â àòîìàõ). Òàêèì îáðàçîì, íå òîëüêî ñîñòàâ ñïåêòðà, íî è íàáëþäàåìûå îòíîñèòåëüíûå èíòåíñèâíîñòè ñïåêòðàëüíûõ ëèíèé ïîëó÷àþò òåîðåòè÷åñêîå îáúÿñíåíèå.
Íåêîòîðûå àòîìû èìåþò ñòðóêòóðó, îòëè÷àþùóþñÿ îò àòîìà âîäîðîäà òîëüêî çàðÿäîì è ìàññîé ÿäðà (íàïðèìåð, èîíèçèðîâàííûå àòîìû ãåëèÿ è ëèòèÿ ñ îäíèì ýëåêòðîíîì). Ñïåêòð èçëó÷åíèÿ òàêèõ «âîäîðî-äîïîäîáíûõ» àòîìîâ ïî ñòðóêòóðå íå îòëè÷àåòñÿ îò ñïåêòðà âîäîðîäà, à ôîðìóëà äëÿ ýíåðãèè ñîñòîÿíèé ñîäåðæèò ÷èñëî ýëåìåíòàðíûõ çàðÿäîâ ÿäðà
ãäå
íîìåð âîçáóæäåííîãî ñîñòîÿíèÿ.
Ñðàâíèòåëüíî ëåãêî ìîæíî ãðóïïèðîâàòü ñïåêòðàëüíûå ëèíèè â èçëó÷åíèè òàêèõ àòîìîâ, êîòîðûå ñîñòîÿò èç ÿäðà, îêðóæåííîãî «êîìïàêòíîé» ýëåêòðîííîé îáîëî÷êîé (ñ çàïîëíåííûìè óðîâíÿìè
è åäèíñòâåííîãî ýëåêòðîíà, âðàùàþùåãîñÿ íà îòíîñèòåëüíî áîëüøèõ ðàññòîÿíèÿõ îò ÿäðà è îáîëî÷êè (ùåëî÷íûå ýëåìåíòû). Ýíåðãèÿ âîçáóæäåííûõ ñîñòîÿíèé òàêèõ àòîìîâ ïðåäñòàâëÿåòñÿ â âèäå
ãäå
ïîñòîÿííàÿ âåëè÷èíà,
íåêîòîðàÿ ïîïðàâêà, ó÷èòûâàþùàÿ âçàèìîäåéñòâèå íàðóæíîãî ýëåêòðîíà ñ ÿäðîì è îñòàëüíûìè ýëåêòðîíàìè.
Øèðèíà ñïåêòðàëüíûõ ëèíèé àòîìîâ îïðåäåëÿåòñÿ âðåìåíåì ïðåáûâàíèÿ èõ â âîçáóæäåííûõ ñîñòîÿíèÿõ. Åñëè èçëó÷àþùèé àòîì íå ïîäâåðãàåòñÿ âíåøíèì âîçäåéñòâèÿì, òî øèðèíà ñïåêòðàëüíîé ëèíèè (íàçûâàåìàÿ åñòåñòâåííîé) ìîæåò áûòü âû÷èñëåíà ïðè ïîìîùè