.
Меню сайта
|
В глубь атомаВ глубь атомаЛинейчатый спектр состоит из серий полосок разного цвета. Физики тщательно зарегистрировали все эти серии, составили из них каталоги и, взглянув на спектр, легко находят, какому элементу он принадлежит. Но очень долго ученые не могли найти закономерности, по которым эти серии построены. Поставим, например, перед щелью спектрографа колбу, наполненную водородом, заставим этот газ светиться. Сделать это не так уж трудно. В колбу впаяны металлические электроды, и достаточно подвести к ним электрическое напряжение, как водород засветится голубоватым цветом. Если в плоскости В-В установить при этом фотопластинку, а потом проявить ее, обнаружится ряд линий линейчатого спектра: Нα, Нβ , Нγ, , Hδ ... Волны, соответствующие этим линиям, имеют длину 0,656; 0,486; 0,434 и 0,410 мк. Ученые искали: существует ли зависимость между этими величинами? Существует ли зависимость в системе линий линейчатого спектра любого другого химического элемента? Швейцарский учитель Бальмер был убежден, что во всем в природе царит порядок и гармония. Поэтому он считал, что спектральные линии не могут располагаться хаотично. После долголетних поисков он в 1885 г. эмпирически нашел связь между спектральными линиями. Он вывел формулу для линий водорода. А пять лет спустя немецкий физик Иоганн Ридберг придал этой формуле современный вид:
Величина R была потом названа постоянной Ридберга. R=109 677,581 см-1. Чтобы получить длину волны какой-нибудь из линий спектра, например Нα , Нβ , Нγ или Hδ , в формулу Бальмера нужно подставить одно из значений т: 3, 4, 5 или 6. Формула эта дает очень точные результаты. Разница между вычисленными и измеренными длинами волн обнаруживается лишь в сотых долях ангстрема.
И лишь через 28 лет после того, как Бальмер «угадал» закономерность расположения линий в спектре водорода, датчанин Нильс Бор дал этой закономерности физическое объяснение. Атом водорода состоит из электрически положительно заряженного ядра — протона и движущегося вокруг него отрицательно заряженного электрона. Чем ближе орбита электрона к ядру, тем меньше у атома запас энергии, потому что чем дальше друг от друга два электрических заряда разных знаков, тем больший у них запас энергии. Излучив свет, атом из состояния с большей энергией переходит в состояние с меньшей энергией. При поглощении света происходит обратное. По гипотезе Планка, свет излучается квантами. Значит, электрон в атоме может переходить с орбиты на орбиту только скачком. Нильс Бор предположил, что в атоме водорода существует набор «разрешенных» орбит. Электрон в атоме может двигаться только по этим орбитам. Каждой из орбит соответствует определенная энергия атома водорода, например орбите 3— энергия Е3. Значения Еn называются уровнями энергии атома. На рисунке 13 показана схема разрешенных орбит водорода. Если электрон переходит с орбиты 3 на орбиту 2, то атом излучает энергию e, которая равна энергии кванта света:
Здесь h — постоянная Планка, a v — частота излучения. Физики называют такой процесс излучения переходом атома с энергетического уровня Е3 на энергетический уровень E2. Из этого уравнения можно определить частоту колебаний излучаемой световой волны. Испускает свет или поглощает его атом, электрон при этом переходит с одной разрешенной орбиты на другую, иначе говоря, атом переходит с одного энергетического уровня на другой. Сравнивая уравнения отдельных переходов Еm-Еn=hv с опытными данными, удалось определить энергетические уровни водородного атома. Уровень Е1 соответствует наименьшему запасу энергии в атоме и называется основным уровнем. В схему энергетических уровней водородного атома (см. рис. 13) вошли и серии линий, открытые после исследований Бальмера. Теория Бора — следующий за гипотезой Планка шаг в развитии квантовой механики. Она позволила с большой точностью вычислить постоянную Ридберга. Бор объяснил процессы, происходящие в атоме водорода при излучении. Но объяснить с такой же полнотой излучение более сложных атомов теория Бора не смогла. Это удалось сделать только в 20-х годах, когда квантовая теория была уже достаточно разработана. Сложные атомы, излучая кванты света, так же как и водородный атом, переходят с одного энергетического уровня на другой. И это, конечно, отражается в их спектрах. Возьмем, например, атом натрия. В его спектре две близко друг к другу расположенные желтые линии. Схема энергетических уровней натрия показана на рисунке 14. Атом натрия может поглотить не только энергию E2-Е1, но и Е3-Е1. Следовательно, пары натрия могут поглощать излучения с частотой
Когда энергия атома натрия соответствует уровням Е2 или Е3, он стремится перейти на основной уровень Е1, при этом излучает свет соответственно с частотой колебаний v1 либо v2. Атом не может ни поглощать, ни излучать свет с другой частотой. Например, в спектре излучения натрия две яркие желтые линии: D1 (λ=0,5896 мк) и D2 (λ=0,5890 мк); именно на месте этих ярких линий появляются в сплошном спектре темные линии (рис. 5 см. ст. Откуда берется цвет? ), когда свет лампы накаливания проходит через пламя, подкрашенное солями натрия.
|
ПОИСК
Block title
|