Квантовая физика. Водный курс - Гольдин Л.Л.
Скачать (прямая ссылка):
рисунка без соблюдения масштаба показана структура 2Р-уровня и
резонансной линии. Для всех остальных линий указано среднее значение
длины волны
мультиплета.
§ 34. Оптические спектры сложных атомов
165
Строение атомов щелочных элементов (и сходных с ними ионов Ве+,
Mg+, Са+ и т.д.) напоминает строение водородоподобных атомов. У
водородоподобных атомов единственный электрон движется в центральном поле
ядра, а в атомах щелочных элементов последний, слабо связанный с атомом
электрон движется в поле "атомного остатка", состоящего из ядра и Z -
- 1 электрона. Атомный остаток имеет структуру
благородного газа и представляет собой очень устойчивое образование.
Поэтому многие свойства атомов щелочных металлов похожи на свойства атома
водорода. Но между атомами щелочных металлов и водородоподобными атомами
имеется и существенное различие. В атоме водорода электрон движется в
поле точечного заряда, в то время как "атомный остаток" щелочных металлов
отнюдь не является точечным. Волновые функции валентного электрона в
разных состояниях, как мы знаем, имеют различное пространственное
распределение; поэтому энергия щелочных атомов зависит от орбитального
квантового числа I валентного электрона. Для расчета энергии уровней; в
щелочных металлах можно применять формулу
Еп = -R^Z% ф-------(6.12)
^ (п - AiY
Формула (6.12) очень похожа на (5.12) для энергия водородоподобных
атомов. Здесь, так же как и в (5.12), R\ = me4/2h2 = 13,6 эВ, а п -
главное квантовое число оптического (валентного) электрона. фф равно
единице для щелочных атомов, двум для однозарядных ионов типа 4Ве+, трем
для двухзарядных ионов таких, как бВ2+, и т.д. Поправка к главному
квантовому числу Ai, называется квантовым дефектом и учитывает
зависимость энергии уровней от орбитального квантового числа. Тонкого
расщепления уровней (6.12) не учитывает.
Формула (6.12) может быть использована для вычисления волновых чисел и
длин волн спектральных линий атомов щелочных металлов и похожих на них
ионов. При расчетах нужно знать значение поправок А/. Эти поправки могут
быть рассчитаны или определены экспериментально. Значения Ai для Li, Na,
К, Rb и Cs приведены в табл. 5.
Рис. 62. Схема переходов, соответствующих желтому дублету натрия.
166
Глава 6
Таблица 5. Поправки Ai для атомов щелочных металлов
Z Элемент 1 = 0 1 = 1 1 = 2 1 = 3
3 Литий 0,412 0,041 0,002 0,000
11 Натрий 1,373 0,883 0,010 0,001
19 Калий 2,230 1,776 0,146 0,007
37 Рубидий 3,195 2,711 1,233 0,012
55 Цезий 4,131 3,649 2,448 0,022
Мы не будем продолжать разбор схем уровней и спектров других атомов, так
как подробное рассмотрение этого вопроса составляет предмет специального
раздела физики1.
§ 35. Рентгеновское излучение
Характеристические рентгеновские спектры. Под действием электронов или
фотонов, обладающих большой энергией, из сложных атомов могут быть
удалены (или переведены во внешние свободные оболочки) внутренние
электроны атомов (рис. 63 а). На освободившиеся места переходят электроны
с соседних оболочек. Эти переходы, так же как и переходы внешних,
оптических электронов, сопровождаются испусканием фотонов (рис. 63 б и
в). При переходах между внутренними оболочками атомов выделяется
существенно большая энергия, чем при переходах между наружными
оболочками. Фотоны, испускаемые при переходах электронов с одной
внутренней оболочки атомов на другую, имеют энергию в сотни, тысячи, а у
тяжелых атомов - даже в десятки тысяч раз большую, чем оптические фотоны.
Это излучение называют характеристическим рентгеновским излучением.
Спектр характеристического излучения зависит от структуры уровней.
Поэтому каждый элемент обладает своим собственным, присущим только ему
спектром характеристического рентгеновского излучения. В отличие от
оптических спектров, рентгеновские спектры довольно просты и регулярно
изменяются от элемента к элементу. Такой характер рентгеновских спектров
объясняется тем, что при переходе от элемента к элементу меняется не
структура внутренних оболочек, а энергия связи заполняющих эти оболочки
электронов.
^м., например, книгу М. А. Ельяшевича "Атомная и молекулярная
спектроскопия" (М.: Физматгиз, 1962).
§35. Рентгеновское излучение
167
Рис. 63. Схема возникновения характеристического рентгеновского
излучения: а - возбуждение if-электрона; б - возникновение ifa-линии
характеристического спектра; в - возникновение La-линии
характеристического спектра.
Рассмотрим схему рентгеновских уровней (термов) многоэлектронного атома
(рис. 64). Каждый рентгеновский уровень соответствует приращению энергии
атома при удалении одного электрона. Рентгеновские уровни носят, таким
образом, "дырочный" характер (§ 32). Так как для замкнутой оболочки
квантовые числа L, S и J равны нулю, то L, S и J у оболочки с удаленным
электроном совпадают с !, s и j удаленного электрона. Поэтому схема
рентгеновских уровней имеет тот же вид, что и схема уровней
водородоподобных атомов. (Разумеется, энергия уровней зависит от Z и
