Квантовая физика. Водный курс - Гольдин Л.Л.
Скачать (прямая ссылка):
всегда возможны, но оказываются существенными лишь в тех случаях, когда
обычные переходы с испусканием фотонов в сталкивающихся атомах запрещены
правилами отбора, т. е. эти атомы (или один из них) находятся в м е -
тастабильном состоянии.
§ 34. Оптические спектры сложных атомов
Исследуем схему уровней и оптический спектр атомов гелия. Основным
состоянием атома гелия является 15о-состояние; оба электрона находятся на
уровне Is, а их спины согласно принципу Паули направлены в
противоположные стороны. При возбуждении атомов один или оба электрона
переходят на более высокие уровни. Мы ограничимся наиболее вероятными
случаями, когда один из электронов остается на уровне Is, а другой
переходит в одно из возможных возбужденных состояний; в таких случаях
перед обозначением состояния атома часто пишут значение главного
квантового числа возбужденного электрона. Если один из электронов атома
гелия находится не на уровне Is, то его спин может быть ориентирован как
антипараллельно, так и параллельно спину другого электрона.
Схема уровней атома гелия и наиболее вероятных переходов между ними
изображена на рис. 60. На шкале слева указаны энергии уровней, а справа -
энергии возбуждения. Энергия ионизации атома равна 24,47 эВ. Рассмотрим
сначала уровни, соответствующие состояниям с антипараллельной ориентацией
спинов электронов. Для этих уровней S = 0 и мультиплетность 2S + 1 = 1,
т. е. уровни являются одиночными (синглентными). Схема этих уровней
изображена в левой части рис. 60. Уровни с различными значениями
квантового числа I у возбужденного электрона разнесены в отдельные
столбики. Сбоку от уровней
160
Глава 6
проставлены значения главного квантового числа п для этого электрона. Для
уровня l1*So, соответствующего основному состоянию атома, и для уровней
21S'o и 2ХР\ в скобках указаны состояния обоих электронов.
Кроме состояний, в которых спиновый момент атома гелия равен нулю,
возможны состояния со спиновым моментом S = 1 и мультиплет-ностью 2S +1 =
3 (триплетные уровни). Уровни, соответствующие этим состояниям,
изображены в правой части рис. 60. Самым нижним из этих состояний
является состояние 23Si (для соответствующего уровня в скобке справа
указаны состояния обоих электронов). Состояние l3Si запрещено принципом
Паули. Уровень 23Si является одиночным, как и все S'-уровни. Этот уровень
расположен несколько ниже, чем уровень 21 So: энергия возбуждения для
уровня 21So равна 20,6 эВ, а для уровня 23Si - 19,8 эВ. Следующее
состояние атома с S = 1, когда первый электрон остается на 15-уровне, а
второй переходит на 2р-уровень, состоит из трех близко расположенных
уровней, так как при S = 1 и L = = 1 вектор J может принимать три
значения: 0,1 и 2. Соответствующие уровни имеют несколько различную
энергию и обозначаются 23Ро, 23Pi и 23Р2. Тройными являются также уровни
33Р>з?2,1 и однако их
расщепление незначительно и на схеме не обозначено.
Рассмотрим теперь электромагнитные переходы между уровнями. При таких
переходах для квантовых чисел J и S должны выполняться правила отбора
(6.7), (6.8) и (6.10). Для орбитального квантового числа L должно
выполняться правило отбора AL = ±1, так как при рассматриваемых переходах
изменяется состояние всего одного электрона. Переходы, не запрещенные
этими правилами отбора изображены на рис. 60 стрелками. Линии,
соответствующие этим переходам, действительно наблюдаются в спектре
гелия. Экспериментальные значения длин волн этих линий обозначены вдоль
стрелок.
Важной особенностью оптических переходов является их каскадный характер.
Во многих случаях прямые переходы из возбужденного состояния в основное
запрещены правилами отбора. Так, только один из уровней М-слоя (31Р\)
может "высветиться" сразу в основное состояние. Атомы, находящиеся в двух
других состояниях (З^о и З1!^), могут переходить в основное лишь в "два
прыжка". Если атом гелия, находившийся в одном из высоких возбужденных
состояний (например, в состоянии 31Р±), после высвечивания оказывается в
состоянии 21So, то возвращение атома из этого состояния в основное путем
испускания одного фотона оказывается невозможным1. Переход в основное
состоя-
^тот переход запрещен сразу двумя правилами отбора. Поскольку в начальном
(и в конечном) состоянии атома J = 0, разрешены только переходы с A J =
1, а в вашем случае A J = 0. Кроме того, как и во всех одноэлектронных
переходах, запрещены переходы с AL ф 1.
§34. ОПТИЧЕСКИЕ СПЕКТРЫ
сложных АТОМОВ
161
ВТ(r), эВ
Щ 24,47 24
-24
-24,47
Рис. 60. Схема
уровней в переходов
атоме гелий.
162
Глава 6
ние возможен только путем испускания двух фотонов одновременно или при
столкновении атомов. Поэтому 215о-состояние оказывается долгоживущим или,
как говорят, метастаби л ьным.
Излучательные переходы между триплетными и синглетными уровнями запрещены
правилом отбора по спиновому моменту и осуществляться не могут1. Спектры
гелия распадаются поэтому на два семейства - на переходы между
