• << Первая
• « Предыдущая
• 1
• 2
• 3
• 4
• 5
• 6
• 7
• 8
• 9
• 10
• 11
• 12
• 13
• 14
• 15
• 16
• 17
• 18
• Следующая »
• Последняя >>

спектры оптические,получающиеся при испускании или поглащении света (электромагнитных волн) свободными или слабо связанными атомами; такими спектрами обладают, в частности, одноатомные газы и пары. А. с. являются линейчатыми — они состоят из отдельных спектральных линий. А. с. наблюдаются в виде ярких цветных линий при свечении газов или паров в электрической дуге или разряде (спектры испускания) и в виде тёмных линий (спектров поглощения). Каждая спектральная линия характеризуется определённой частотой колебаний vиспускаемого или поглощаемого света и соответствует определённому квантовому переходу между уровнями энергииE _iи E _kатома согласно соотношению: hv= E _i - E _k ,где h — Планка постоянная) .Наряду с частотой спектральную линию можно характеризовать длиной волны l= c/v,волновым числом 1/ l= v/ c( c— скорость света) и энергией фотона hv.
     А. с. возникают при переходах между уровнями энергии внешних электронов атома и наблюдаются в видимой, ультрафиолетовой и близкой инфракрасной областях. Такими спектрами обладают как нейтральные, так и ионизованные атомы; их часто называют соответственно дуговыми и искровыми спектрами (нейтральные атомы легко возбуждаются и дают спектры испускания в электрических дугах, а положительные ионы возбуждаются труднее и дают спектры испускания преимущественно в искровых электрических разрядах). Спектры ионизованных атомов смещены по отношению к спектрам нейтральных атомов в область больших частот, т. е. в ультрафиолетовую область. Это смещение тем больше, чем выше кратность ионизации атома — чем больше электронов он потерял. Спектры нейтрального атома и его последовательных ионов обозначают в спектроскопии цифрами I, II, III, ... В реально наблюдаемых спектрах часто присутствуют одновременно линии нейтрального и ионизованных атомов; так говорят, например, о линиях FeI, FeII, FeIII в спектре железа, соответствующих Fe, Fe ⁺, Fe ²⁺.
     Линии А. с. образуют закономерные группы, называются спектральными сериями. Промежутки между линиями в серии убывают в сторону коротких длин волн, и линии сходятся к границе серии. Наиболее прост спектр атома водорода. Волновые числа линий его спектра с огромной точностью определяются формулой Бальмера:
    1/l= R( 1/n ² ₁- 1/n ² ₂),
     где n ₁и n ₂значения главного квантового числа для уровней энергии, между которыми происходит квантовый переход (см. Атом, рис. 1 , б). Значение n ₁= 1, 2, 3, ... определяет серию, а значение n ₂= n ₁+ 1, n ₁+ 2, n ₁+ 3,... определяет отдельные линии данной серии; R — Ридберга постоянная(выраженная в волновых числах). При n ₁= 1 получается серия Лаймана, лежащая в далёкой ультрафиолетовой области спектра, при n ₁= 2 — серия Бальмера, линии которой расположены в видимой и близкой ультрафиолетовой областях. Серии Пашена ( n ₁= 3), Брэкета ( n ₁= 4), Пфаунда ( n ₁= 5), Хамфри ( n ₁= 6) лежат в инфракрасной области спектра. Аналогичными спектрами, только с увеличенным в Z ²раз масштабом (Z — атомный номер), обладают водородоподобные ионы Не ⁺, Li ²⁺, ... (cпектры HeII, LiIII, ...).
     Спектры атомов щелочных металлов, обладающих одним внешним (оптическим) электроном помимо заполненных оболочек, схожи со спектром атома водорода, но смещены в область меньших частот; число спектральных серий увеличивается, а закономерности в расположении линий усложняются. Пример — спектр Na, атом которого обладает нормальной электронной конфигурацией 1 s ² 2 s ²2 p ⁶ 3 s(см. в ст. Атом—Заполнение электронных оболочек и слоев) с легко возбуждаемым внешним электроном 3 s; переходу этого электрона из состояния 3 sв состояние 3 pсоответствует жёлтая линия Na (дублет l= 5690  и l= 5696 ; см. рис .), с которой начинается т. н. главная серия Na, члены которой соответствуют переходам между состоянием 3 sи состояниями 3 p,4 p,5 p,... граница серии соответствует ионизации атома Na.
     Для атомов с двумя или несколькими внешними электронами спектры значительно усложняются, что обусловлено взаимодействием электронов. А. с. особенно сложны для атомов с заполняющимися d-и f-оболочками; число линий доходит до многих тысяч, и уже нельзя обнаружить простых серий, аналогичных сериям в спектрах водорода и щелочных металлов. Однако и в сложных спектрах можно установить определённые закономерности в расположении линий, произвести систематику спектра и определить схему уровней энергии.
     Систематика спектров атомов с двумя или более внешними электронами основана на приближённой характеристике отдельных электронов при помощи квантовых чисел nи l(см. Атом ) сучётом взаимодействия этих электронов друг с другом. При этом приходится учитывать электростатические взаимодействия электронов — отталкивание по закону Кулона, и магнитные взаимодействия спиновых и орбитальных моментов (см. Спин, Спин-орбитальное взаимодействие) ,которые приводят к тонкому расщеплению уровней энергии (см. Тонкая структура ) .Благодаря этому у большинства атомов спектральные линии представляют собой более или менее тесную группу линий, называемую мультиплетом. Так, у всех щелочных металлов линии двойные (дублеты), причём расстояния между мультиплетными уровнями увеличиваются с увеличением атомного номера элемента. У щёлочноземельных элементов наблюдаются одиночные линии (сингулеты) и тройные (триплеты). Спектры следующих столбцов таблицы Менделеева образуют всё более сложные мультиплеты, причём нечётным столбцам соответствуют чётные мультиплеты, а четным столбцам — нечётные.
     Кроме тонкой структуры, в А. с. наблюдается сверхтонкая структура,обусловленная магнитными моментами ядер. Сверхтонкая структура по порядку величины в 1000 раз уже обычной мультиплетной структуры и исследуется методами радиоспектроскопии.
     В А. с. проявляются не все переходы между уровнями энергии данного атома или иона, а лишь вполне определённые, допускаемые (разрешенные) т. н. отбора правилами,зависящими от характеристик уровней энергии. В случае одного внешнего электрона возможны лишь переходы, для которых азимутальное квантовое число lувеличивается или уменьшается на 1; правило отбора имеет вид: D l= ±1 .В результате s-yровни ( l= 0) комбинируют с р-уровнями ( l= 1), р-уровни — с d-yровнями ( l= 2) и т. д., что определяет возможные спектральные серии для атомов щелочных металлов, частный случай которых представляет главная серия Na (переходы 3 s® np,где n =3, 4, 5, ...); другие переходы этим правилом отбора запрещены. Для многоэлектронных атомов правила отбора имеют более сложный вид.
     Количественной характеристикой разрешенного оптического перехода является его вероятность (см. Вероятность перехода ) ,определяющая, как часто этот переход может происходить; вероятность запрещенных переходов равна нулю. От вероятностей переходов зависят интенсивности спектральных линий. В простейших случаях вероятности переходов для А. с. могут быть рассчитаны по методам квантовой механики.
     Наряду с изучением А. с. для свободных атомов значительный интерес представляет исследование изменений в А. с. при внешних воздействиях на атомы. Под действием внешнего магнитного или электрического поля происходит расщепление уровней энергии атома и соответствующее расщепление спектральных линий (см. Зеемана явление и Штарка явление ) .
     Исследование А. с. сыграло важную роль в развитии представлений о строении атома (см. Атомная физика ) .Методы, основанные на изучении А. с., очень широко распространены в различных областях науки и техники. А. с. позволяют определить ряд весьма важных характеристик атомов и получить ценные сведения о строении электронных оболочек атома. Чрезвычайно существенно применение А. с. в эмиссионном спектральном анализе (по А. с. испускания), который благодаря высокой чувствительности, быстроте и универсальности завоевал прочное место в металлургии, горнорудной промышленности, машиностроении и во многих других отраслях народного хозяйства; наряду с эмиссионным спектральным анализом успешно применяют и абсорбционный спектральный анализ (по А. с. поглощения).
     Лит.:Шпольский Э. В., Атомная физика, 5 изд., т. 1, М., 1963, т. 2, М., 1951: Фриш С. Э., Оптические спектры атомов, М.—Л., 1963; Ельяшевич М. А., Атомная и молекулярная спектроскопия, М., 1962.
      М. А. Ельяшевич.

   Жёлтая линия в спектре атома Na (дублет l = 5690  и l = 5696 ).