Общий курс физики Том 5. Часть 1. Атомная физика - Сивухин Д.В.
Скачать (прямая ссылка):
8. С учетом правила отбора Д/=±1 легко понять, что в спектрах щелочных элементов должны получаться (и действительно получались на опыте еще до всякой теории) следующие спектральные серии: главная серия
V — ns — тр;
первая побочная, или диффузная, серия
х — пр — md\
вторая побочная, или резкая, серия
\ — пр — ms;
серия Бергмана, или фундаментальная, серия
\ = nd — mf. (34.14)
Здесь v = 1/Л, — спектроскопическое волновое число. Число п в каждой серии сохраняется постоянным, число tn в главной серии должно пробегать значения m — п, п + 1, п + 2, ..., а в остальных сериях — значения m = n-{- 1, п-\- 2, ..., чтобы получились все линии серий. Поправки А в переменных членах в пределах каждой серии остаются практически постоянными, но меняются от серии к серии.
Схема квантовых переходов и соответствующие им спектральные линии представлены на рис. 60 для лития и на рис. 61 для натрия. Длины волн спектральных линий даны в ангстремах (1 А = 0,1 нм). В первом столбце (s) на рис. 60 изображены энергетические уровни лития в s-состоянии при различных значениях главного квантового числа, во втором — то же при различных п, но при одних и тех же значениях р, в третьем—при одних и тех же значениях d и т. д. В случае ку-лонова поля получились бы энергетические уровни, зависящие только от п, но не зависящие от I. Для щелочных металлов такое вырождение энергетических уровней снимается из-за отличия электрического поля от кулонова. Детали спектральной
(34.11)
(34.12)
(34.13)
СПЕКТРАЛЬНЫЕ СЕРИИ ЩЕЛОЧНЫХ МЕТАЛЛОВ
213
диаграммы натрия, а также вопросы, касающиеся спектральной символики, выяснятся в § 40.
Главная серия возникает в результате квантовых переходов валентного электрона из различных p-состояний на наиболее глубокий s-уровень. На этом уровне атом находится в невозбужденном состоянии и может переходить в энергетически более
214
ДАЛЬНЕЙШЕЕ ПОСТРОЕНИЕ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ [ГЛ. V
высокие состояния. Поэтому главная серия наблюдается не только в испускании, но и в поглощении. На рис. 62 показана в спектре поглощения главная серия паров натрия. Приведена
только коротковолновая часть серии, начиная с пятого члена (А, == 2594 А). Главная серия содержит наиболее характерную для рассматриваемого элемента резонансную линию
vp s3 — ns — np. (34.15)
Таковы, например, красная линия лития и желтая линия натрия.
§ 35] МАГНЕТИЗМ АТОМОВ 215
Первая побочная (диффузная) серия возникает в результате переходов валентного электрона из различных d-состояний на наиболее глубокий .^-уровень, вторая побочная (резкая)—из
Рис. 62
различных s-состояний на тот же самый глубокий р-уровень. Оправдание названий «диффузная» и «резкая» будет дано в § 40.
ЗАДАЧИ
1. Будут ли в принципе одинаковы спектральные линии атомов, ядра которых имеют одинаковые заряды, но отличаются размерами и формой?
Решение. Спектры будут несколько (хотя и очень мало) отличаться друг от друга, так как по волновой механике поведение электрона определяется волновым уравнением во всем пространстве, где существует силовое поле.
2. Для лития значение терма 2р, вычисленное из пределов побочных серий, равно 2р = 28 581,4 см-1. Длины волн линий 2р— 3d и 3d — 4[ равны соответственно Л.! = 6103,77 А и ^= 18 697,0 А. Вычислить длину волны 2p-4f.
Решение. Спектроскопические волновые числа линий 2р — 3d и 3d — 4f равны соответственно
ІДі = vi = 16 383,3 см-1, 1Д2 = v2 = 5 348,4 см-1.
Отсюда 3d — 2р — Vi = 12 198,1 см-1, 4f = 3d — v2 = 6849,7 см-1; 2р — 4f = = 21 731,7 см-1, X = 4602,8 А.
§ 35. Магнетизм атомов
1. Со времени Ампера (1775—1836) магнетизм был сведен к электрическим токам, которые, по его представлениям, циркулируют внутри мельчайших частиц вещества (атомов и молекул). Природа этих токов была установлена с появлением электронных представлений о строении вещества и теории Бора. Считалось, что амперовы молекулярные токи создаются электронами, вращающимися вокруг ядра атома. Однако классическая физика до введения квантовых представлений была не в состоянии объяснить не только движение электронов вокруг ядра, но и сам факт существования атомов. Методами статистической физики было строго показано, что с классической точки зрения в установившемся состоянии вещество не может быть намагничено, т. е. не может иметь отличный от нуля маг-
216
ДАЛЬНЕЙШЕЕ ПОСТРОЕНИЕ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ [ГЛ. V
нитный момент (Бор, Лорентц, Ван-Лёвен; см. т. III, § 75). Это не значит, что его нельзя намагнитить вообще. Электрические заряды можно привести bq вращение, т. е. возбудить в веществе круговые токи. А в таком случае появится магнитный момент, т. е. намагничивание вещества. Смысл приведенного утверждения состоит в том, что если намагниченное вещество предоставить самому себе, поддерживая температуру его постоянной, то оно самопроизвольно придет в равновесное состояние, в котором всякая намагниченность исчезнет, даже если вещество помещено в магнитное поле. Это не согласуется с фактами.
Понимание природы магнетизма пришло только после создания квантовой механики. Магнетизм, как и существование атомов и молекул, оказался квантовым эффектом. Классические теории намагничивания (Ланжевен) имели известный успех, и притом немалый, только потому, что они молчаливо вводили допущения существенно квантового характера, а именно существование у атомов готовых магнитных моментов, или стационарных орбит, по которым вращаются электроны. А это, в сущности, и должна была бы объяснить теория.
