Квантовая физика - Вихман Э.
Скачать (прямая ссылка):
7. Вернемся к рис. 6А и предположим, что на нем показана схема уровней для атома. В этом случае типичные расстояния между уровнями будут иметь порядок электрон-вольта.
Предположим, что мы изучаем спектр поглощения атома и используем источник света с непрерывным спектральным распределением. В этом случае в свете, прошедшем через поглощающий слой изучаемого нами моноатомного газа, появятся спектральные линии. Допустим, далее, что газ достаточно холодный, т. е. находится, например, при комнатной температуре. В этом случае мы будем наблю-
«8
4* (0,25) Зак. 127
Рис. 6В. Участки спектра молекулы С2, полученные при двух разных дисперсиях. Длины волн даны в ангстремах. Верхний спектр получен вТспек-тромстре с малой днспсрсисй и обнаруживает «полосы», характерные для спектра молекул. Нижний спектр получен при много большей дисперсии, и на нем ясно видны линии, образующие полосы
СО
дать спектральные линии (o30> to20 и (о10, но остальные три линии не будут видны. Объяснение здесь весьма простое: подавляющее большинство газовых молекул находится в основном состоянии, и мы можем наблюдать лишь переходы из основного в одно из более высоких состояний.
При увеличении температуры быстро возрастает вероятность обнаружить атом в одном из возбужденных состояний. В томе V этого курса *) сказано, что если газ находится при температуре Т, то отношение числа атомов в п-и возбужденном состоянии к числу атомов в основном состоянии равно
При комнатной температуре, для которой kT (1/40) эВ, это отношение пренебрежимо мало. Поэтому холодный газ не испускает (видимого) света, если его атомы не возбуждены каким-то другим способом.
8. При изучении спектра испускания атомарного газа, возбужденного внешним воздействием, например электрическим разрядом, можно наблюдать все указанные на схеме термов спектральные линии. Если атом, первоначально находившийся в основном состоянии, сталкивается с электроном, имеющим большую энергию, последний может передать атому часть своей энергии. Это заставляет атом «перескочить» в одно из более высоких состояний. Отсюда атом может перейти на более низкие уровни. При этом будет испускаться свет. Само собой разумеется, чтобы такой процесс происходил, электрон должен иметь энергию, достаточную для перевода атома в одно из возбужденных состояний. Если энергия электрона меньше Е1—Еа, то он может испытывать лишь упругие столкновения с атомами. При большей энергии становятся возможными неупругие столкновения, приводящие к испусканию света.
Эта картина, а также постулаты, рассмотренные в п. 5, могут быть проверены экспериментально. Для этого просто нужно менять энергию возбуждающих атом электронов. По мере ее увеличения будет наблюдаться появление новых спектральных линий. На рис. 8А показаны результаты такого опыта для газообразной ртути. Мы видим, что при увеличении энергии электронов появляются новые спектральные линии и эти изменения спектра находятся в соответствии со схемой уровней, показанной на рис. 8В.
9. На рис. 9А показан результат аналогичного опыта. Пары ртути при низком давлении возбуждаются электронной бомбардировкой. Возбужденные атомы возвращаются в основное состояние, испуская фотоны, и их присутствие (в частности, «ультрафиолетовых» фотонов) можно наблюдать по току фотоэлектронов, который они вызывают, попадая на железный электрод. По мере увеличения энергии бомбардирующих электронов возбуждаются новые уровни,
(7а)
*) Рейф Ф. Статистическая физика.— 3-е изд.— М.: Наука, 1986.
100
и поэтому возникают новые переходы. С возбуждением нового уровня внезапно увеличивается скорость испускания фотонов, и кривая на рис. 9А при соответствующей энергии обнаруживает резкий излом. Положение этих изломов можно сравнить со схемой уровней, показанной на рис. 8В.
iMl {7,5; ;
Щ- {8,8
CM~‘
79851— 73404-77D54-74405-7143! ¦
71335 ¦ 71335' 71333 '
= 38 -Щг5,88 -ш-а,72 HШ9.55 -^ЁЬ9,22
------8,85
------8,85
------8,84
Ш28-
6Z350-
lllllll 111 =
54053-
44043-39412 -37545-
-7,93
-7,73
-6,70
- §,46 -4,89 -4,57
Рис. 8A. Спектр атомов ртути, возбужденный столкновениями с электронами, при двух различных энергиях электронов (Hertz G. Uber die Anregung von Spektrallinien durch Elektro-пеп-stoss. — Zs. f. Phys., 1924, v. 22, p. 18). Когда энергия электронов возрастает от 8,7 эВ (слева) до 9,7 эВ (справа), появляется ряд новых линий, которых не было на левом снимке. Числа в скобках показывают энергию электронов, при которой впервые появилась линия.
Длины волн даны в ангстремах
Рис. 8В. Сильно упрощенная схема уровней нейтрального атома ртугн. Приведены уровни, участвующие в переходах, показанных на рис. 8А. Цифры слева — энергия уровня, выраженная в волновых числах; справа — энергия, выраженная в электрон-вольтах. Масштаб не соблюден. Черточками справа указаны уровни, энергии которых кс приведены. На линиях, соединяющих уровни, даны длины волн в ангстремах. Все переходы на основной уровень отвечают ультрафиолетовой части спектра. Показаны два таких перехода (длины волн в скобках). Эти линии не видны в спектре. Начало области непрерывного спектра находится при 84 184 см-1 (потенциал ионизации равен 10,4 эВ)
