Квантовая физика. Водный курс - Гольдин Л.Л.
Скачать (прямая ссылка):
Развитые представления позволяют понять, какие переходы в оптике
возможны, а какие невозможны, т. е. понять правила отбо-
§33. Правила отбора при излучении атомов
157
р а при излучении. Пусть атом до испускания фотона не имел момента (^/нач
= 0). Закон сохранения, момента позволяет утверждать, что после излучения
момент атома JK0H окажется равным единице. Аналогичным образом в конечное
состояние с JK0H = 0 атом может перейти только из состояния с JHa4 = 1-
Таким образом, если либо в начальном, либо в конечном состоянии J = 0,
переход возможен в том и только в том случае, если при излучении момент J
меняется на единицу:
AJ = 1.
В частности, невозможны так называемые 0 - 0-переходы из состояния с Jнач
= 0 в состояние с Jкон = 0.
Рис. 59. Векторная модель сложения угловых моментов атома и фотона.
Рассмотрим теперь случай, когда J ^ 0. Как видно из рис. 59, при сложении
единичного вектора с вектором J длина последнего может измениться на
единицу или не измениться вовсе (никакие другие изменения из-за
квантования J невозможны). Таким образом, возникает
следующее правило отбора при излучении:
A J = ±1, 0 при JHa4 7^ 0? ^кон 7^ 0? (6.7)
AJ = ±1 при JHa4 = 0 или JK0H = 0. (6.8)
Аналогичным образом для квантового числа mj найдем
Amj = ±1, 0. (6.9)
Рассмотрим теперь векторы S и L. Излучение света связано с
электромагнитными свойствами электрона. Во взаимодействии с
электромагнитной волной, вообще говоря, участвуют как заряд, так и
магнитный момент атома. Испускание света возможно либо в результате
изменения движения заряда (изменение L), либо в результате поворота
собственного магнитного момента (изменение S), либо по обеим причинам
сразу. Расчет показывает, что для электромагнитного излучения, лежащего в
оптическом диапазоне, взаимодействие фотона с зарядом электрона
158
Глава б
оказывается гораздо сильнее взаимодействия с магнитным моментом, так что
можно считать, что излучение не связано с магнитным моментом. Орбитальный
и спиновый угловые моменты по-разному сказываются на электрическом и
магнитном моментах атома. Орбитальный угловой
момент влияет как на первый, так и на второй, а направление спина
-
только на магнитный момент. Поэтому при испускании фотонов оптического
диапазона вектор спина не претерпевает изменений, т. е.
AS = 0. (6.10)
Выведенные выше правила отбора по J и S определяют правило отбора по
орбитальному квантовому числу и по его проекции:
AL = 0, =Ь1 при Lm4 ф 0, LK0H ф 0,
AL = ±1 При 1/нач = 0 ИЛИ 1/кон = о, (6.11)
Ать = 0, ±1.
Укажем в заключение, что переходы с AL = 0 невозможны для атомов, в
которых испускание света связано с изменением движения всего одного
электрона, в частности для всех переходов в атоме водорода и
водородоподобных атомах, а также в атомах с одним электроном сверх
заполненных оболочек. Появление этого запрета связано не с угловым
моментом (сохранение которого определяет все остальные правила отбора), а
с законом сохранения четности волновой функции. Поскольку обсуждение
этого вопроса выходит за рамки книги, указанное правило следует просто
запомнить.
Здесь следует еще раз подчеркнуть, что все полученные правила, отбора
связаны со свойствами фотона и характерны лишь для электромагнитных1
переходов. Если переход атома с уровня на уровень осуществляется не с
помощью света, то правила отбора, оказываются другими; часто они вовсе
отсутствуют или сводятся к утверждению, что переходы с большим изменением
момента мало, вероятны. Подобная ситуация имеет место при возбуждении
атомов электронным ударом в газовых разрядах, при тепловом возбуждении
атома и т. д.
Скажем несколько слов о других способах, которые позволяют атомам
избавиться от "лишней" энергии и перейти из возбужденного состояния в
основное. Начнем с эффекта Оже2. Эффектом Оже называется явление, при
котором переходящий в нижнее состояние электрон не излучает энергию, а
передает ее другому атомному электрону. Оже-пере-ходы часто наблюдаются
при заполнении свободных мест на внутренних
Точнее - для дипольных электромагнитных переходов.
2П.Оже - французский физик, открывший и исследовавший этот эффект.
§ 34. Оптические спектры сложных атомов
159
оболочках. Атомные переходы при этом сопровождаются выделением заметного
количества энергии, достаточного для того, чтобы удалить из атома один из
внешних электронов. Так как энергия свободных электронов не квантуется,
удаляемые из атома оже-электроны могут уносить любое количество энергии,
в частности, всю энергию возбуждения атома.
Другим важным примером атомных переходов, происходящих без излучения,
являются переходы при так называемых ударах второго рода. При обычных
ударах кинетическая энергия сталкивающихся частиц частично расходуется на
возбуждение атомов. При процессах второго рода один из сталкивающихся
атомов (или оба) находится в возбужденном состоянии. При ударе эта
энергия увеличивает кинетическую энергию разлета атомов. Такие переходы
