Атом водорода и водородоподобные системы, страница 5

7.5.Спектральные закономерности атома водорода с точки зрения квантово- механической модели

      Излучение невзаимодействующих друг с другом атомов состоит из отдельных спектральных линий. Такой спектр называется линейчатым. Линии в спектрах атомов расположены не беспорядочно, а объединяются в группы − серии линий. Отчётливее всего эти спектральные линии заметны в спектре атома водорода. Швейцарский физик Бальмер в 1885 г. обнаружил, что линии волн одной из серий линий водорода соответствует формуле:

 , где - константа, n – целое число, n = 3, 4, 5 и т.д., а частота    ,                   (9)

где  n = 3, 4, 5…; R − постоянная Ридберга ().

Выражение (9) определяет серию спектральных линий, названную серией Бальмера. Дальнейшие исследования показали, что в спектре водорода есть ещё серии:

серия Лаймана  ,  n =2, 3, 4…-ультрафиолетовая область;

серия Пашена , n = 4, 5, 6…- инфракрасная область;

серия Брэкера , n = 5, 6, 7…- инфракрасная область;

серия Пфунда , n = 6, 7, 8…

Все серии описываются  обобщенной формулой Бальмера- Ридберга : , где  число m  определяет серию (m = 1, 2…), n − линии в серии (n = m + 1…).

С ростом n частота линии в каждой серии стремится к предельному значению ω = R/. Это граница серии.

Рассмотрим, каким квантовым переходам отвечает серия Лаймана. Разрешены не все переходы между стационарными квантовыми состояниями. Ограничений на изменение главного квантового числа нет, разность , может быть любой. В отношении орбитального числа действует запрет на любые переходы, кроме тех, для которых . Магнитное квантовое число должно оставаться прежним или изменяться на единицу: Это правило отбора по квантовым числам   и m.

    Все состояния делятся на группы, которые называются термами. Терм объединяет состояния со сходными свойствами. Для водорода в соответствии с правилами отбора в термы включают состояния с одним и тем же . Соответственно говорят о s-, p-, d- и т.д. термах. Переходы возможны только между соседними термами. Квантовые состояния электрона отличаются символом, состоящим из числа, равного n, и буквы, обозначающей значение , например 1s, 2p, 2d и т.д. Если атомы не находятся в магнитном поле, то уровни энергии вырождены по квантовому числу m, и поэтому оно существенной роли не играет и в обозначении состояния не присутствует. Расположение самих нижних по энергии квантовых состояний атома водорода иллюстрируется диаграммой (рис. 7.3).

Диаграмма наглядно показывает, каким квантовым переходам соответствуют те или иные линии в спектре. Серия Лаймана образуется переходами np→1s (n = 1, 3,…); Серия Бальмера  ns→2p, np→2s, nd→2p (n = 3, 4,…). Состояние 1s является основным состоянием атома водорода. В этом состоянии атом обладает минимальной энергией. Чтобы перевести атом в возбуждённое  (т.е. в состоянии с большей энергией) ему необходимо сообщить энергию.
Это может быть осуществлено за счет теплового соударения атома, за счёт столкновения атома с достаточно быстрым электроном, или за счёт поглощения атомом фотона. Фотон при поглощении атомом, исчезает, передовая атому свою энергию. Атом не может поглотить только часть фотона, ибо фотон, как и электрон, является неделимым. Атом может поглощать только те фотоны, энергия которых в точности соответствует разности энергий двух его уровней. Поскольку поглощающий атом обычно находится в основном состоянии, спектр поглощения водородного атома должен состоять из линий, соответствующих переходам