Атомні спектри Енциклопедія БСЕ
Значення слова "Атомні спектри"
Атомні спектри,спектри оптичні, що виходять при випромінюванні або поглинанні світла (електромагнітних хвиль) вільними або слабо пов'язаними атомами; такими спектрами володіють, зокрема, одноатомні гази та пари. А. с. є лінійчастими вони складаються з окремих спектральних ліній. А. с. спостерігаються у вигляді яскравих кольорових ліній при світінні газів або пари в електричній дузі або розряді (спектри випромінювання) та у вигляді темних ліній (спектрів поглинання). Кожна спектральна лінія характеризується певною частотою коливань v світла, що випромінюється або поглинається, і відповідає певномуквантового переходуміжрівнями енергіїEi та Ek атома відповідно до співвідношення: hv = Ei - Ek, де h -Планка стала). Поряд із частотою спектральну лінію можна характеризувати довжиною хвилі l = c/v, хвильовим числом 1/l = v/c (c — швидкість світла) та енергією фотона hv.
А. с. виникають при переходах між рівнями енергії зовнішніх електронів атома і спостерігаються у видимій, ультрафіолетовій та близькій інфрачервоній областях. Такими спектрами мають як нейтральні, і іонізовані атоми; їх часто називають відповідно дуговими та іскровими спектрами (нейтральні атоми легко збуджуються і дають спектри випромінювання в електричних дугах, а позитивні іони збуджуються важче і дають спектри випромінювання переважно в іскрових електричних розрядах). Спектри іонізованих атомів зміщені по відношенню до спектрів нейтральних атомів в область великих частот, тобто в ультрафіолетову область. Це зміщення тим більше, що вища кратність іонізації атома — що більше електронів він втратив. Спектри нейтрального атома та його послідовних іонів позначають успектроскопії цифрами І, ІІ, ІІІ, . У спектрах, що реально спостерігаються, часто присутні одночасно лінії нейтрального та іонізованих атомів; так говорять, наприклад, про лінії FeI, FeII, FeIII у спектрі заліза, відповідних Fe, Fe + , Fe 2+ .
Лінії А. с. утворюють закономірні групи, що називаються спектральними серіями. Проміжки між лініями в серії зменшуються у бік коротких довжин хвиль, і лінії сходяться до межі серії. Найбільш простий спектр атома водню. Хвильові числа ліній його діапазону з великою точністю визначаються формулою Бальмера:
де n1 і n2 значення головного квантового числа рівнів енергії, між якими відбувається квантовий перехід (див.атом,Мал. 1(6), б). Значення n1 = 1, 2, 3, . визначає серію, а значення n2 = n1 + 1, n1 + 2, n1 + 3. визначає окремі лінії цієї серії; R -Рідберга постійна(Виражена в хвильових числах). При n1 = 1 виходить серія Лаймана, що лежить у далекій ультрафіолетовій області спектру, при n1 = 2 — серія Бальмера, лінії якої розташовані у видимій та близькій ультрафіолетовій областях. Серії Пашена (n1 = 3), Брекет (n1 = 4), Пфаунд (n1 = 5), Хамфрі (n1 = 6) лежать в інфрачервоній області спектру. Аналогічні спектри, тільки зі збільшеним у Z 2 разів масштабом (Z - атомний номер), мають водородоподібні іони Не + , Li 2+ , . (Спектри HeII, LiIII, . ).
Спектри атомів лужних металів, що мають один зовнішній (оптичний) електрон крім заповнених оболонок, схожі зі спектром атома водню, але зміщені в область менших частот; число спектральних серій збільшується, а закономірності розташування ліній ускладнюються. Приклад - спектр Na, атом якого має нормальну електронну конфігурацію 1s 2 2s 2 2p 6 3s (див. в ст.атом- Заповненняелектронних оболонок та шарів) з легко збуджуваним зовнішнім електроном 3s; переходу цього електрона зі стану 3s в стан 3p відповідає жовта лінія Na (дублет l = 5690 і l = 5696; див.Мал.), з якої починається т.з. головна серія Na, члени якої відповідають переходам між станом 3s та станами 3p, 4p, 5p. межа серії відповідає іонізації атома Na.
Для атомів із двома чи кількома зовнішніми електронами спектри значно ускладнюються, що зумовлено взаємодією електронів. А. с. особливо складні для атомів з d- і f-оболонками, що заповнюються; кількість ліній доходить до багатьох тисяч, і вже не можна виявити простих серій, аналогічних серіям у спектрах водню та лужних металів. Однак і в складних спектрах можна встановити певні закономірності в розташуванні ліній, провести систематику спектра та визначити схему рівнів енергії.
Систематика спектрів атомів з двома або більше зовнішніми електронами ґрунтується на наближеній характеристиці окремих електронів за допомогою квантових чисел n та l (див.атом) з урахуванням взаємодії цих електронів один з одним. При цьому доводиться враховувати електростатичні взаємодії електронів - відштовхування за законом Кулона і магнітні взаємодії спінових та орбітальних моментів (див.Спін,Спін-орбітальна взаємодія), які призводять до тонкого розщеплення рівнів енергії (див.Тонка структура). Завдяки цьому у більшості атомів спектральні лінії являють собою більш менш тісну групу ліній, звану мультиплетом. Так, у всіх лужних металів лінії подвійні (дублети), причому відстані між мультиплетними рівнями збільшуються із збільшенням атомного номера елемента. У лужноземельних елементів спостерігаютьсяпоодинокі лінії (сингулети) та потрійні (триплети). Спектри наступних стовпців таблиці Менделєєва утворюють дедалі складніші мультиплети, причому непарним стовпцям відповідають парні мультиплети, а парним стовпцям — непарні.
Крім тонкої структури, в А. с. спостерігаєтьсянадтонка структураобумовлена магнітними моментами ядер. Надтонка структура по порядку величини у 1000 разів вже звичайної мультиплетної структури та досліджується методамирадіоспектроскопії.
В А. с. виявляються в повному обсязі переходи між рівнями енергії даного атома чи іона, лише цілком певні, допускаемые (дозволені) т. зв.відбору правилами, що залежать від показників рівнів енергії. У разі зовнішнього електрона можливі лише переходи, котрим азимутальное квантове число l збільшується чи зменшується на 1; правило відбору має вигляд: Dl = ±1. В результаті s-y рівні (l = 0) комбінують з р-рівнями (l = 1), р-рівні - з d-y рівнями (l = 2) і т. д., що визначає можливі спектральні серії для атомів лужних металів, окремий випадок яких є головною серією Na (переходи 3s ® np, де n = 3, 4, 5, . ); інші переходи цим правилом відбору заборонені. Для багатоелектронних атомів правила відбору мають складніший вигляд.
Кількісною характеристикою дозволеного оптичного переходу є ймовірність (див.Ймовірність переходу), Яка визначає, як часто цей перехід може відбуватися; ймовірність заборонених переходів дорівнює нулю. Від можливостей переходів залежать інтенсивності спектральних ліній. У найпростіших випадках ймовірність переходів для А. с. можуть бути розраховані за методамиквантової механіки.
Поряд із вивченням А. с. для вільних атомів значний інтерес становитьдослідження змін в А. с. при зовнішніх впливах на атоми. Під дією зовнішнього магнітного чи електричного поля відбувається розщеплення рівнів енергії атома та відповідне розщеплення спектральних ліній (див.Зеемана явищеіШтарка явище).
Дослідження А. с. зіграло значної ролі у розвитку поглядів на будову атома (див.Атомна фізика). Методи, засновані на вивченні А. с., дуже поширені в різних галузях науки і техніки. А. с. дозволяють визначити ряд дуже важливих характеристик атомів та отримати цінні відомості про будову електронних оболонок атома. Надзвичайно суттєво застосування А. с. в емісійномуспектральному аналізі(за А. с. випромінювання), який завдяки високій чутливості, швидкості та універсальності завоював міцне місце в металургії, гірничорудній промисловості, машинобудуванні та в багатьох інших галузях народного господарства; поряд з емісійним спектральним аналізом успішно застосовують і абсорбційний спектральний аналіз (за А. с. поглинання).
Шпольський Е. Ст, Атомна фізика, 5 видавництва, т. 1, М., 1963, т. 2, М., 1951: Фріш С. Е., Оптичні спектри атомів, М.—Л., 1963; Ельяшевич М. А., Атомна та молекулярна спектроскопія, М., 1962.
Жовта лінія у спектрі атома Na (дублет l = 5690 та l = 5696).
Велика Радянська Енциклопедія М.: "Радянська енциклопедія", 1969-1978
Читайте також у БСЕ :
Атомний факторАтомний фактор, величина, що характеризує здатність атома розсіювати рентгенівські промені, електрони або нейтрони, що падають на нього. А. ф. визначає, зокрема, залежність інтенсивності.
Атомний флотАтомний флот (військ.), сукупність військових кораблів різних класів, що мають як головнеджерела енергії ядерні силові установки Підводний А. ф. - Основа ударної ядерної метрів.