Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика
жүктеу/скачать 6,71 Mb. Pdf көрінісі
|
| Исследование оптических спектров. Как известно (§ 173),
элементы в газообразном состоянии обладают л и н е й ч а т ы- м и спектрами испускания и поглощения света. Каждому эле- менту свойственны определенные спектральные линии, отлич- ные от линий других элементов. Так как атомы газа находятся в среднем на больших расстояниях и не влияют друг на дру- га, частоты линейчатого спектра элемента должны определяться свойствами о т д е л ь н о г о а т о м а этого элемента. В гл. XXI мы выяснили, что световая энергия существует в виде мельчайших неделимых порций — к в а н т о в; атомы должны, следовательно, излучать и поглощать свет такими же порциями, квантами. Энергия кванта пропорциональна частоте света ν, т. е. равна hν, где h = 6,6 · 10
− 34 Дж · с — постоянная Планка. Энергия испущенного атомом кванта по закону сохра- нения энергии равна разности энергий атома д о и п о с л е 1 ) Если энергия электронов превышает 6,7; 8,3 эВ и т. д., то при соударе- ниях с атомами ртути передаваемые порции энергии могут быть не только 4,9, но и 6,7; 8,3 эВ и т. д. 2 ) Речь идет о внутренней энергии атома. Кинетическая энергия атома, движущегося как целое, может меняться сколь угодно мало в соответствии с тем, что скорость поступательного движения атома может меняться па любую малую величину. 16 Г. С. Ландсберг 482 Гл. XXII. Строение атома излучения, т. е. hν = W − W
, (204.1) где W — энергия начального состояния атома (до излучения); W — энергия конечного состояния атома (после излучения). Соотношение (204.1) связывает изменение энергии атома при испускании или поглощении света с частотой последнего ν. Если бы энергия атома могла испытывать всевозможные изменения, то в атомном спектре присутствовали бы всевозможные частоты и он был бы с п л о ш н ы м подобно спектру раскаленного твер- дого тела. В действительности же атомный спектр (т. е. спектр испускания или поглощения одноатомного газа) не сплошной, а л и н е й ч а т ы й. О н содержит только н е к о т о р ы е о п р е- д е л е н н ы е характерные для данного атома частоты. Следова- тельно, энергия атома не может испытывать всевозможные, лю- бые изменения. Энергия атома может изменяться только на неко- торые определенные значения. Зная спектр вещества, нетрудно найти эти значения с помощью соотношения (204.1). Так, например, спектр поглощения ртутного пара содержит следующие линии (в порядке убывания длин волн): 253,7, 185,0, 140,3 нм и т. д. Подставляя в (204.1), находим для первой линии W − W = hν = hc/λ = = 6,6 · 10 − 34 · 3 · 10 8 /253,7 · 10 − 9 = 7,8 · 10 − 19 Дж, или
W − W
= 7,8 · 10 − 19
· 10 − 19 ) = 4,9 эВ. Для второй и третьей линий получаем соответственно W − W
= 6,7 эВ и W − W
= 8,3 эВ. Атом ртути может, таким образом, воспринимать энергию только в виде порций, равных 4,9; 6,7; 8,3 эВ и т. д. Наименьшая воспринимаемая порция оказывается равной 4,9 эВ в согласии с результатом, полученным из опытов по соударениям электронов с атомами 1 ).
спектры и взаимодействие атомов с электронами — указывают на п р е р ы в н ы й (д и с к р е т н ы й) характер внутренней энер- гии атомов. Энергия атома не может изменяться непрерывно. Она изменяется скачками на определенные, конечные порции, различные для разных атомов. Отсюда следует, что энергия атома не может быть любой, а может принимать только некото- 1 ) Отметим, что в этих опытах наблюдается свечение пара ртути с испуска- нием света с длиной волны 253,7 нм, возникающее, когда энергия электронов становится равной или больше 4,9 эВ. Гл. XXII. Строение атома 483
рые избранные значения, характерные для каждого атома. Воз- можные значения внутренней энергии атома получили название энергетических или квантовых уровней. Схема энергетических уровней атома водорода, построенная на основании спектральных данных, изображена на рис. 360 Рис. 360. Схема энергетических уровней атома водорода. Горизонталь- ные линии — энергетические уровни ( n — номер уровня). За начало отсчета по шкале энергий принята наименьшая внутренняя энергия атома водорода, т. е. энергия уровня n = 1. Вертикальные линии — переходы с верхних энергетических уровней на нижние. Длина такой линии дает энергию hν светового кванта, излучаемого при данном переходе. Переходы группируются в серии: серия Лаймана — переходы с уровней n > 1 на уровень n = 1, серия Бальмера — переходы с уров- ней n >
2 на уровень n =
2 и т. д. (см. также § 175) в виде ряда параллельных линий. Расстояние между двумя ли- ниями равно р а з н о с т и э н е р г и й двух состояний водород- ного атома и, следовательно, пропорционально частоте кванта, излучаемого при переходе из одного состояния в другое (более 16*
484 Гл. XXII. Строение атома низкое). Поэтому расстояния между уровнями выражают в неко- тором масштабе частоты спектральных линий водорода. Атом, находящийся в одном из высших энергетических состо- яний (обозначенных номером n > 1 на рис. 360), через неболь- шой промежуток времени (около 10 − 8
энергией состояние, испуская соответствующий квант. Из низ- шего энергетического состояния (n = 1) атом не может с а- м о п р о и з в о л ь н о (без сообщения энергии извне) перейти в другое состояние. Следовательно, низшее состояние является устойчивым 1 ). При нормальных условиях все атомы находятся в низшем энергетическом состоянии, и газ не светится. Сообщая атому энергию, мы можем в о з б у д и т ь его, т. е. перевести из нормального (низшего) состояния в одно из выс- ших энергетических состояний. В случае водорода расстояние от низшего энергетического уровня (n = 1) до ближайшего высше- го уровня составляет 10,1 эВ. Это н а и м е н ь ш а я п о р ц и я э н е р г и и, которую находящийся в низшем состоянии водород- ный атом может поглотить. Меньшей энергии атом водорода не может воспринять, ибо у него не существует состояний, энергия которых отличается от энергии нормального состояния меньше чем на 10,1 эВ. Для атома ртути аналогичная величина равна, как мы видели, 4,9 эВ. жүктеу/скачать 6,71 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|