Спектри багатоелектронних атомів. Ефект Зеємана

Спектр випромінювання атома дуже змінюється, якщо випромінювальний атом перебуває в магнітному полі. За відсутності магнітного поля енергія валентного електрона не залежить від його магнітного моменту, тобто визначається тільки числами n і l. Енергетичні рівні, які відповідають електронам з однаковим числом l, але різними значеннями числа m збігаються. У магнітному полі енергія електрона залежить від модуля та орієнтації магнітного моменту. Тепер енергетичні рівні, які відповідають електронам з однаковим числом l, але різними значеннями числа m, розщеплюються на стільки підрівнів, скільки значень може мати число m. Розщеплення рівнів викликає розщеплення спектральних ліній. Таке розщеплення ліній на три складові в сильному магнітному полі виявив у 1896 році голландський фізик Зеєман. Це явище названо нормальним ефектом Зеємана, який теоретично вдалося пояснити значно пізніше засобами квантової механіки.

З точки зору квантової механіки можна пояснити ефект Зеємана.

Розглянемо перехід електрона. Електрону в s - стані відповідають такі квантові числа: l = 0 і m = 0, а у р - стані – числа: l = 1, m = 0, m = +1, m = -1. На рис. 2.18 зображено енергетичні рівні електрона і спектральні лінії за відсутності магнітного поля (а) і в магнітному полі (б). У частини збуджених атомів електрони перебувають на основному рівні, в іншої частини – на одному з розщеплених підрівнів, а в решти атомів – на другому розщепленому підрівні. Коли електрони переходять з основного рівня і підрівнів на нижній рівень, випромінюються фотони з різною енергією, або частотою. Тому спектральна лінія з частотою розщеплюється на три лінії з частотами і . Під час переходу електрона енергетичні рівні розщеплюються в магнітному полі на стільки підрівнів, скільки значень може мати число m, яке відповідає d - і p - станам. Однак спектральних ліній все одно утворюється тільки три: з частотами і .

Для магнітного квантового числа також існує правило добору: дозволені тільки такі переходи електрона, при яких це число або не змінюється, або змінюється на одиницю:

.

У магнітному полі атом набуває додаткової енергії

.

Проекція магнітного моменту на вісь Z:

,

де – маса спокою електрона.

Тоді додаткова енергія дорівнює:

.

Рівням і , які утворюються в магнітному полі, відповідає енергія:

і ,

де і – енергії рівнів без магнітного поля (); і – магнітні квантові числа.

Частота спектральної лінії під час переходу електрона з одного стану в інший у магнітному полі визначається так:

.

Це означає, що частота лінії, яка утворюється в магнітному полі:

.

Якщо , то . Але якщо = ±1, то

.

Частота видимої частини спектра становить близько . Для магнітного поля з індукцією (1 Гс (гаусс) = 10^-4 Тл) розщеплення спектральних ліній .

Енергія електрона залежить і від спінового квантового числа , тобто власного моменту імпульсу електрона.

Взаємодія орбітального магнітного моменту і власного моменту імпульсу (спіну) робить свій внесок у значення енергії електрона. Спін має дві можливі проекції на напрям орбітального моменту, тому енергія електрона залежить від напряму спіну. Розглянемо, наприклад, атом натрію (Z = 11). Десять електронів К - і L - оболонок в оптичних переходах участі не беруть, їхній спін-орбітальний момент дорівнює нулю. Одинадцятий валентний електрон у незбудженому атомі перебуває у стані 3 s. Отже, його орбітальний момент дорівнює нулю, а спіновий момент має довільний напрям. Якщо атом збуджений, то валентний електрон перебуває у стані, наприклад, 3 р. Проекція спіну електрона на напрям орбітального магнітного моменту може бути або . Тому енергія спін-орбітальної взаємодії буде мати два можливі значення. Відповідно, рівень 3 р (а також 4 р і всі наступні) розщеплюватимуться на два підрівні. У частини збуджених атомів електрони перебувають на одному з розщеплених підрівнів, у решти атомів – на другому розщепленому підрівні. Під час переходу електронів з підрівнів на нижній рівень випромінюються фотони з різною (хоча і дуже близькою) енергією, або частотою. Тоді жовта лінія натрію розщеплюється на дві лінії, відстань між якими , тобто утворюється жовтий дублет натрію.

Зауваження. Наявність спектральних дублетів була одним із фактів, які наштовхнули Гаудсміта і Уленбека на ідею про існування спіну в електрона.

Природа характеристичних рентгенівських променів.
Закон Мозлі

Характеристичне рентгенівське випромінювання виникає внаслідок того, що потужне катодне проміння, проникаючи у глибину електронних оболонок атомів, вириває електрони з нижніх шарів і спричиняє вихід їх за межі атома. Якщо, наприклад, електрон буде вирваний з шару К, то на його місце переміститься електрон з якого-небудь дальшого шару L, M, і т.д. На вивільнене місце у дальшому шарі перейде електрон з ще дальшого шару. При таких переходах електронів у важких атомах випромінюються фотони рентгенівського проміння. Оскільки енергія фотонів визначається різницею енергетичних рівнів атомів даної речовини, то випромінювання такого типу дає лінійчатий спектр, характерний для речовини анода.

Якщо енергія електронів, які бомбардують, збільшується (збільшується напруга між катодом та анодом), то на фоні суцільного спектра рентгенівського випромінювання з’являються лінійчаті спектри. Частота цих ліній у спектрі залежить від природи речовини, з якої виготовлений анод. Тому дане випромінювання називають характе­ристичним, оскільки воно характе­ризує анод.

Електрон, що має досить велику енергію, може вирвати інший електрон (віддати йому частину енергії), що знаходиться на глибинних забудо­ваних електронних оболонках анода.

Внаслідок цього на “вакантне” місце електрона, що вирвався, пере­міщається електрон з верхнього енер­гетичного стану, після чого випро­мінюється фотон характеристичного рентгенівського випромінювання.

Схема виникнення рентгенівських спектрів

Рентгенівські спектри складаються з декількох серій, що позначаються буквами . Кожна серія має певну кількість ліній, які позначаються , …(, …; …і т.д.) (рис. 2.19).

У 1913 році англійський вчений Мозлі встановив закон, що визначає частоти в характеристичних спектрах речовини в залежності від атомного номера .

Закон Мозлі

,

де − стала Бальмера -Рідберга, ;

− атомний (порядковий) номер;

− стала екранування (фізичний зміст: поправка до сили, з якою електрон притягується до ядра; цю дію ядра послаблюють електрони, розміщені до нього ближче, ніж перехідний електрон; для - серії, для - серії);

− енергетичний рівень, на який переходить електрон;

− енергетичний рівень, з якого переходить електрон.

Зазвичай закон Мозлі виражають формулою:

,

де − функція атомного номера елемента, − константа.

Значення закону Мозлі: дозволяє за визначеною частотою рентгенівських ліній встановити атомний номер даного елемента; закон Мозлі довів справедливість ядерної моделі та періодичний закон системи елементів Менделєєва.

Поиск по сайту: