Атомнi спектри

Якщо атом не зазнає зовнiшнiх впливів (зiткнень з iншими атомами, опромiнення тощо), то вiн знаходиться у станi з мiнiмальною енергiєю – в основному енергетичному станi. Змiна енергетичного стану атомiв при зовнiшнiх впливах обумовлена змiною їх електронних конфiгурацiй, тобто переходами електронiв мiж рiзними енергетичними рiвнями. Довжини хвиль або частоти, що їх випромiнюють або поглинають атоми при таких переходах, характери­зують спектри випромiнювання та поглинання вiдповiдно.

Спектри випромiнювання та поглинання вiльних або слабо взаємодiючих атомiв, зумовленi переходами мiж енергетичними рiвнями зовнiшнiх (валентних) електронiв, називаються оптичними атомними спектрами. Законо­мiр­ностi, притаманнi атомним спектрам, розглянемо на прикладi спектра випромiнювання атомiв водню.

В результатi розв’язку рiвняння Шредiнгера були одер­жа­нi можливi значення енергiї атома водню

де R – стала Рiдберга.

Дiаграму енергетичних рiвнiв атома водню, розрахова­ну за одержаною формулою, подано на мал. 9.6.

Надання атому енергії, як наслідок зовнiшнього впливу, приводить його до збудженого стану, що вiдповiдає перехо­ду електрона з основного на бiльш високий енергетичний рiвень (на бiльш високоенергетичну орбiталь).

Мал. 9.6. Діаграма енергетичних рівнів атома водню.

Через промiжок часу ~ 10^–8 с (час життя атома в збудженому станi) атом повертається в основний енергетич­ний стан, випромiнюючи такі частоти:

, (9.15)

де n_i та n_k – головнi квантовi числа енергетичних рiвнiв, мiж якими вiдбувається перехiд, причому n_k > n_i.

Одержана формула не тiльки пояснює встановлений експериментально лiнiйчаcтий характер атомних спектрiв, але й дозволяє розрахувати набiр частот, якi вiдповiдають спостерiгаємим спектральним лiнiям.

Спектр випромiнювання атома водню складається з окремих груп лiнiй, якi називаються спектральними серiями. Кожнiй серiї вiдповiдає набiр частот, що випромi­нюєть­ся атомами при переходi електрона на певний енерге­тичний рiвень з усiх вище розташованих рівнів (мал. 9.6).

При переходi електрона на основний енергетичний рівень (n_i = 1) з усiх інших рівнів (n_k = 2, 3, 4, …) випромi­нюється серiя Лаймана, що лежить в ультрафiолетовiй областi. Частоти, якi вiдповiдають спектральним лiнiям цiєї серiї, легко одержати iз узагальненої формули (9. 15) при умовi n_i = 1, n_k = 2, 3, 4, …:

v_Л = R (1/1² – 1/ n_k ²).

При переходi електрона на основний енергетичний рiвень з головним квантовим числом n_i = 2 з бiльш високо розташованих рівнів випромiнюється серiя Бальмера, що лежить у видимiй та ближнiй ультрафiолетовiй областях:

v_Б = R (1/2² – 1/ n_k ²), n_k = 3, 4, 5, ….

При переходi збудженого електрона на рiвень, що характеризується головним квантовим числом n_i = 3, з усiх вище розташованих рівнів випромiнюється серiя Пашена, яка лежить в iнфрачервонiй областi:

v_П = R (1/3² – 1/ n_k ²), n_k = 4, 5, 6, ….

Слiд вiдзначити, що в кожнiй серiї вiдстань мiж лiнiями зменшується при переходi до бiльш коротких хвиль. При цьому кожна серiя має короткохвильову границю, за межi якої вона не виходить. Ця границя називається “граничною лiнiєю” серiї, її частота визначається по узагальненiй фор­му­лi (9.15) при умовi n_k = ¥.

Атомнi оптичнi спектри багатоелектронних атомiв складнiшi за спектри атома водню, але їм теж притаманнi розглянуті вище закономiрностi.