Общий курс физики Том 5. Часть 1. Атомная физика - Сивухин Д.В.
Скачать (прямая ссылка):
Таблица 2
Длины волн бальмеровсхой серии водорода
п Обозна- чение К нм п Обозна- чение нм
вычислено наблюдено вычислено наблюдено
3 Но. 656,279 656,285 8 Н1 388,905 388,906
4 ЯР 486,133 486,132 9 Н Т) 383,539 383,540
5 Ну 434,047 434,046 10 379,790 379,791
6 Нь 410,174 410,173 11 377,067 377,065
7 "г 397,008 397,007
волн отнесены к воздуху, где они были экспериментально измерены. Поэтому вычисленные по формуле (11.6) длины волн были пересчитаны для воздуха.
Серия Пашена:
’=T = *H(p-”7?-) (« = 4,5,6). (11.7)
Эту серию предсказал Ритц в 1908 г. на основе комбинационного принципа. Все линии этой серии получаются путем комбинаций из линий серии Бальмера. Рассматриваемая серия в том же году была обнаружена Пашеном (1865—1947) в инфракрасной области спектра.
5 121
ПОСТУЛАТЫ БОРА
65
Серия Брэккета:
= (« = 5,6,7,...). (11.8)
Серия Пфунда:
*=Т = М-р---?*-) (« = 6,7,8,...). (11.9>
Эти серии лежат в далекой инфракрасной области спектра. Они были открыты в 1922 г. и 1924 г. соответственно. Конечно, серия Брэккета получается путем комбинаций из линий серии Па-шена, а серия Пфунда (1879—1949) — из линий серии Брэккета.
Максимальная длина волны для серии Лаймана получается при п = 2. Она равна Я = 4/3Ru = 121,56713 нм. Соответствующая линия называется резонансной линией водорода. Максимальная частота (волновое число) получится по формулам (11.5) — (11.9) при п = оо. Эта частота называется границей серии. Для серии Бальмера, например, граница серии равна
v00 = /?h/4 = 27 419,69 см-1 или Я^ = 4/^н = 364,70142 нм.
При приближении к границе серии спектральные линии сгущаются — разность длин волн между ними асимптотически стремится к нулю; стремятся к нулю и интенсивности линий. За границей серии спектр не обрывается, а становится сплошным. Эта закономерность проявляется в спектральных сериях не только водорода, но и других элементов. Здесь также существуют границы серий, за которыми следует сплошной спектр.
§ 12. Постулаты Бора
1. Законы классической физики, по существу, приспособлены для описания непрерывных процессов. Между тем резкость спектральных линий, испускаемых атомами химических элементов, указывает на то, что процессам внутри атомов свойственна известная прерывность или дискретность. Наряду с непрерывностью дискретность должна быть отражена в основных физических законах. Это ясно понял Нильс Бор (1885—1962), сформулировавший в 1913 г. два постулата.
1) Атом (и всякая атомная система) может находиться не во всех состояниях, допускаемых классической механикой, а только в некоторых избранных (квантовых) состояниях, характеризующихся определенными прерывными, дискретными значениями энергии Si, <%2, <%%, - . В этих состояниях, вопреки классической электродинамике, атом не излучает. Поэтому они называются стационарными состояниями.
Квантовая механика, пришедшая на смену теории Бора, автоматически приводит к стационарным состояниям с дискретными уровнями энергии. Правда, она допускает и стационарные
66
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УРОВНИ И СПЕКТРЫ АТОМА
[ГЛ. II
состояния с непрерывными уровнями энергии. Однако в последнем случае электроны и ядра не образуют связанную систему. По крайней мере некоторые из них движутся инфинитно. В атомах же и молекулах составляющие их частицы связаны, т. е. движутся финитно. В этих случаях энергетические уровни дискретны, как того и требует первый постулат Бора (см. § 13, пункт 3, а также § 22). Однако, как уже было упомянуто выше, постулат Бора в квантовой механике не является независимым утверждением. Он является следствием основных принципов квантовой механики.
Сам Бор первоначально принял, что движение электронов в стационарных состояниях атомов характеризуется теми же понятиями и величинами, что и движение частиц в классической механике. Иными словами, оно происходит по определенным траекториям и в каждый момент времени характеризуется определенными значениями координат и скоростей электронов. Такая точка зрения несовместима с основными принципами квантовой механики. Квантовая механика отвергает представление о траекториях, по которым якобы движутся электроны и другие микрочастицы (см. § 20). Поэтому мы, принимая первый постулат Бора, будем характеризовать стационарные состояния только значениями энергии, но не будем вводить никаких наглядных представлений о движении электронов в атомах.
2) При переходе из стационарного состояния с большей энергией &П2 в стационарное состояние с меньшей энергией &П1 энергия атома изменяется на <ВПі — Если такое изменение происходит из-за излучения, то при этом испускается один фотон с энергией
hv за й<в = Sп„ — <$л,. (12.1)
Такое же соотношение справедливо и для случая поглощения, когда падающий фотон переводит атом с низшего энергетического уровня на более высокий, а сам исчезает. Соотношение (12.1) называется правилом частот Бора.
2. Таким образом, атомная система переходит из одного стационарного состояния в другое скачками. Такие скачки называются квантовыми. Что происходит с системой во время скачка, т. е. между двумя последовательными стационарными состояниями,— на этот вопрос теория Бора не давала ответа. Некоторые ведущие физики считали подобные вопросы принципиально не имеющими смысла, так как (по их мнению) они не допускают экспериментальной проверки. Они выдвигали в качестве теоретико-познавательного принципа требование, чтобы наука не пыталась описывать явления природы способами, не допускающими экспериментальной проверки. Наука должна оперировать только тем, что принципиально доступно наблюдению. Но в такой общей формулировке это требование совер-
