Частота излучения через постоянную ридберга. Изучение спектра атома водорода

Rydbergo konstanta statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Apibrėžtį žr. priede. priedas(ai) Grafinis formatas atitikmenys: angl. Rydberg constant vok. Rydberg Konstante, f rus. константа Ридберга, f; постоянная Ридберга, f… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

постоянная Ридберга - Rydbergo konstanta statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. Rydberg constant vok. Rydberg Konstante, f; Rydbergsche Konstante, f rus. постоянная Ридберга, f pranc. constante de Rydberg, f … Fizikos terminų žodynas

Постоянная Ридберга величина, введённая Ридбергом, входящая в уравнение для уровней энергии и спектральных линий. Постоянная Ридберга обозначается как R. Эта постоянная была введена Йоханнесом Робертом Ридбергом в 1890 при изучении спектров… … Википедия

Постоянная тонкой структуры, обычно обозначаемая как, является фундаментальной физической постоянной, характеризующей силу электромагнитного взаимодействия. Она была введена в 1916 году немецким физиком Арнольдом Зоммерфельдом в качестве меры… … Википедия

Не следует путать с постоянной Больцмана. Постоянная Стефана Больцмана (также постоянная Стефана), физическая постоянная, являющаяся постоянной пропорциональности в законе Стефана Больцмана: полная энергия, излучаемая единицей площади … Википедия

- (R), фундаментальная физическая константа, входящая в выражения для уровней энергии и частот излучения атомов (см. СПЕКТРАЛЬНЫЕ СЕРИИ); введена швед. физиком Й. Р. Ридбергом (1890). Если принять, что масса ядра атома бесконечно велика по… … Физическая энциклопедия

- (обозначается R) физическая постоянная, входящая в формулы для уровней энергии и спектральных серий атомов: , где, М масса ядра, m и е масса и заряд электрона, с скорость света, h постоянная Планка … Большой Энциклопедический словарь

- (обозначается R), физическая постоянная, входящая в формулы для уровней энергии и спектральных серий атомов: R = R∞/(1 + m/М), где R∞ = 2π2me4/ch3≈1,097373·107 м 1, М масса ядра, т и e масса и заряд электрона, с скорость света, h постоянная… … Энциклопедический словарь

- (обозначается К), физ. постоянная, входящая в ф лы для уровней энергии и спектральных серий атомов: R = Roo/(1 + т/M), где Roo, = 2ПИ2me4/ch3 1,097373*107 м 1, М масса ядра, т и е масса и заряд электрона, с скорость света, h постоянная Планка.… … Естествознание. Энциклопедический словарь

- (R физическая постоянная (См. Физические постоянные), введённая И. Ридбергом в 1890 при изучении спектров атомов. Р. п. входит в выражения для уровней энергии (См. Уровни энергии) и частот излучения атомов (см. Спектральные серии). Если… … Большая советская энциклопедия

Согласно эмпирической формуле (501.2), постоянную Ридберга можно определить, зная длину волны излучения для соответствующего перехода.

Например, в видимом спектре излучения (серия Бальмера) атом водорода испускает свет с длиной волны λ кр , соответствующей красному цвету. Эта первая видимая линия отвечает переходу атома с третьего на второй энергетический уровень. Таким образом, постоянная Ридберга может быть определена, как

Вторая линия видимого спектра с длиной волны λ гол , соответствующей голубому цвету, возникает при переходе атома с четвертого на второй энергетический уровень, и постоянная Ридберга определяется так:

. (501.13)

Переход со следующего (с пятого) энергетического уровня на второй сопровождается излучением с длиной волны λ син , соответствующей синему цвету, и постоянную Ридберга находим, как:

. (501.14)

При достаточно точном определении соответствующих длин волн все три значения постоянной Ридберга должны быть одинаковыми.

Пример выполнения эксперимента

Цель эксперимента : определить значение постоянной Ридберга.

Задача эксперимента: найти при помощи монохроматора длины волн, соответствующие красной, голубой и, возможно, синей линиям спектра излучения атомарного водорода.

Подготавливаем Таблицу №1 для экспериментальных данных и результатов их обработки.

Таблица №1. Экспериментальные данные и результаты их обработки

Глядя в окуляр монохроматора и вращая регулятор длины волны, находим красную полосу, отчетливо выделяющуюся на общем фоне спектра и добиваемся, чтобы она находилась в середине области обзора. Соответствующая длина волны (в нм) будет отображаться на счетчике монохроматора. Ее мы записываем в первую строку Таблицы №1 столбца «Длина волны», переведя значение в метры.

Аналогичным образом пытаемся отыскать в спектре голубую и синюю линии и записываем в Таблицу №1 значения длин их волн в метрах.

По формулам (501.12), (501.13) и (501.14) рассчитываем значения постоянной Ридберга и записываем их в соответствующие ячейки Таблицы №1 (в м -1).

Вычисляем среднее арифметическое значение постоянной Ридберга

. (501.15)

Находим среднеквадратическую абсолютную погрешность определения постоянной Ридберга:

. (501.16)

где 4,3 – коэффициент Стьюдента для трех измерений с доверительной вероятностью Р = 0,95

Записываем окончательный результат:

м -1 .

Проверка результатов

Относительная разность теоретического значения постоянной Ридберга, вычисленного по формуле (501.3), и среднего экспериментального ее значения не должна превышать 10%:

. (501.17)

Если это так, то эксперимент выполнен успешно.

ВОПРОСЫ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ К ЭКЗАМЕНУ ПО ФИЗИКЕ КУРС II, ЧАСТЬ 3

Волны в упругих средах. Продольные и поперечные волны Уравнение гармонической бегущей волны, ее график, фазовая скорость, длина волны, волновое число (1.1, 1.3).

Фронт волны, волновые поверхности, фазовая скорость, волновое уравнение (1.3, 1.4).

Принцип суперпозиции волн. Групповая скорость. Энергия бегущей волны. Вектор плотности потока энергии – вектор Умова (1.5, 1.6).

Электромагнитные волны. Волновые уравнения. Уравнение плоской гармонической волны (2, 2.1, 2.2).

Энергия электромагнитной волны. Поток энергии. Вектор плотности потока энергии – вектор Пойнтинга (2.3).

Излучение электрического диполя. Шкала электромагнитных волн (2.4, 2.5).

Интерференция света. Монохроматичность и когерентность волн. Расчет интерференции двух волн (3.1.1 – 3.1.3).

Методы получения когерентных волн (3.2).

Оптическая длина пути и оптическая разность хода (3.3).

Интерференция света в тонких пленках. Просветление оптики. Интерферометры (3.4, 3.5).

Дифракция света. Принцип Гюйгенса-Френеля. Метод зон Френеля (4.1, 4.2).

Дифракция Френеля на круглом отверстии и диске (4.3).

Дифракция Фраунгофера на одной щели (4.4).

Дифракционная решетка (4.5).

Дифракция на пространственной решетке. Формула Вульфа-Брэгга (4.6).

Разрешающая способность оптических приборов. Понятие голографии (4.7, 4.8).

Взаимодействие света с веществом. Поглощение света. Закон Бугера. Рассеяние света. Закон Релея (6.1 – 6.3).

Дисперсия света. Электронная дисперсия света. Нормальная и аномальная дисперсия (6.4).

Поляризация света. Естественный и поляризованный свет. Закон Малюса (6.5).

Поляризация света при отражении и преломлении. Закон Брюстера (6.6).

Двойное лучепреломление. Искусственная оптическая анизотропия. Вращение плоскости поляризации (6.7, 6.8).

Тепловое излучение. Характеристики теплового излучения. Абсолютно черное тело. Закон Кирхгофа (7.1 – 7.3).

Распределение энергии в спектре абсолютно черного тела. Законы Стефана-Больцмана и Вина (7.4 – 7.6).

Формула Релея-Джинса. «Ультрафиолетовая катастрофа». Гипотеза Планка. Формула Планка. Связь формулы Планка с законами Стефана-Больцмана и Вина (7.7).

Фотон. Энергия, масса и импульс фотона. Давление света (8.1, 8.2).

Фотоэффект. Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта (8.3).

Эффект Комптона. Корпускулярно-волновой дуализм электромагнитного излучения (8.4, 8.5).

Гипотеза де Бройля. Опытное обоснование корпускулярно-волнового дуализма материи. Опыт Девиссона-Джермера (9.1).

Соотношение неопределенностей Гейзенберга. Невозможность классического задания состояния микрочастиц (9.2).

Волновая функция и ее статистический смысл (9.3).

Уравнение Шредингера для стационарных состояний. Собственные функции и собственные значения. Свободная частица (9.4, 9.5).

Частица в одномерной прямоугольной «потенциальной яме» (9.6).

Классический и квантовый осцилляторы (9.7).

Модель атома Резерфорда (11.1).

Постулаты Бора (11.2).

Линейчатый спектр атома водорода (11.3).

Атом водорода согласно квантовой механики. Квантовые числа электрона в атоме (11.4).

Принцип Паули (11.5).

Поглощение, спектральное и вынужденное излучение (12.1).

Принцип работы лазера (12.2).

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра физики

Изучение спектра атома водорода. Определение постоянной ридберга

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ №4 ПО ФИЗИКЕ

(раздел «Атомная физика»)

Ростов-на-Дону 2012

Составители: доц. И.В. Мардасова

доц. Н.В. Пруцакова

доц. А.Я. Шполянский

Изучение спектра атома водорода. Определение постоянной Ридберга: метод. указания к лабораторной работе № 4. – Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2012 – 12 с.

Методические указания предназначены для выполнения лабораторной работы студентами всех форм обучения в лабораторном практикуме по физике (раздел «Атомная физика»).

Печатается по решению методической комиссии факультета «Нанотехнологии и композиционные материалы»

Научный редактор канд. ф.-м. наук, проф. Наследников Ю.М.

©Издательский центр ДГТУ, 2012

Лабораторная работа №4

Цель работы: изучение спектрального метода исследования веществ с использованием спектроскопа; определение длин волн спектральных линий атома водорода; расчет постоянной Ридберга.

Приборы и оборудование : монохроматор УМ-2, работающий в режиме спектроскопа; конденсор; неоновая лампа; ртутная лампа ДРШ; водородная трубка; высокочастотный генератор.

Краткая теория

Спектральный анализ – это физический метод определения качественного и количественного состава вещества на основе изучения его спектров. Совокупность частот (или длин волн), содержащихся в излучении вещества, называется спектром испускания данного вещества.

Спектр излучения отдельных атомов состоит из отдельных спектральных линий - линейчатый спектр . Молекулярные спектры в отличие от атомных представляют собой набор полос – полосатый спектр.

В задачу данной работы входит изучение линейчатого спектра испускания водорода в газообразном состоянии с помощью спектроскопа .

Как же возникает линейчатый спектр излучения отдельных атомов водорода? Прежде всего происходит диссоциация молекул на атомы в газовом разряде в результате столкновений свободных электронов с молекулами. Далее соответствующие столкновения свободных электронов с атомами обуславливают переход электрона в атоме на более высокие энергетические уровни. Такое состояние атома или молекулы, возникающее при рекомбинации атомов, не является устойчивым, через время ~10 -8 с электрон вернется на свой энергетический уровень, и атом или молекула испустят квант света - фотон. Основным будет линейчатый спектр испускания атомов водорода, на который может частично накладываться менее интенсивный полосатый спектр молекул водорода.

Согласно второму постулату Бора, энергия фотона, который испускается при переходе электрона в атоме из состояния с номеромm в состояние с номеромn , равна

,

или
(1)

где
– постоянная Планка,
– частота излучения,
– длина волны,
– скорость света в вакууме,
– энергии m - го иn - го состояний соответственно.

Из квантовой механики следует, что энергии электронов в атомах могут принимать только определенные дискретные значения. Состояния, отвечающие этим значениям энергии, называются энергетическими уровнями . При переходе электронов на более низкие уровни излучаются спектральные линии . Совокупность линий, отвечающих переходам с различных более высоких уровней на один и тот же нижний уровень, образует спектральную серию .

Наиболее простой является система энергетических уровней атома водорода. Значение энергий электрона в атоме водорода можно вычислить по формуле:

(n =1, 2, 3…), (2)

где n – главное квантовое число ,
– масса электрона,
– заряд электрона,
– электрическая постоянная. Формула (2) впервые получена Н. Бором. Для более сложных атомов эта формула несправедлива.

Из (1) и (2) следует, что длины волн спектральных линий атома водорода могут быть рассчитаны по формуле:

, (3)

где
(4)

– константа, называемая постоянной Ридберга . Формула (3) называется обобщенной формулой Бальмера .

Из формулы (3) следует, что линии в спектре атома водорода можно расположить по сериям . Для всех линий одной и той же серии значение n остается постоянным, а m может принимать любые целые значения, начиная с (n + 1 ).

В данной работе изучается серия Бальмера – совокупность линий в спектре атома водорода, соответствующих переходам со всех вышележащих уровней на уровень с n = 2. Только при n = 2 и m = 3, 4, 5, 6 излучаемые фотоны имеют длину волны
, попадающую в видимый участок спектра. При других значениях n и m фотоны соответствуют инфракрасному или ультрафиолетовому участкам спектра.

Длины волн
фотонов видимого участка могут быть вычислены по формулам:

– красная линия

– зелено-голубая линия

– фиолетово-синяя линия

– фиолетовая линия

Массы m ф и импульсы р ф данных фотонов можно найти по формулам:

(6) и
(7).

Схема некоторых переходов в атоме водорода приведена на рис. 1.

Напомним смысл обозначений в этой схеме. Наряду с главным квантовым числом n состояние электрона в атоме характеризуется орбитальным квантовым числом l и магнитным квантовым числом m l . Состояния электрона с l = 0,1,2 обозначаются как s - , p - и d - состояния соответственно. Но уровни энергии электрона в атоме (а значит, и длины волн излучения) не зависят от чисел l , m l , а определяются только главным квантовым числом n .

В квантовой механике доказывается, что возможны не любые переходы электронов в атоме, а лишь такие, при которых изменение орбитального квантового числа l соответствует правилу отбора

. (8)

В соответствии с правилом (8), в первых двух сериях в спектре атома водорода разрешены переходы (см. рис. 1):

Рис. 1. Схема электронных переходов в атоме водорода

Устойчивость любой системы в атомных масштабах вытекает из принципа неопределённостей Гайзенберга (четвёртый раздел седьмой главы). Поэтому последовательное изучение свойств атома возможно только в рамках квантовой теории. Тем не менее, некоторые результаты, имеющие важное практическое значение, можно получить и в рамках классической механики, приняв дополнительные правила квантования орбит.

В этой главе мы вычислим положение энергетических уровней атома водорода и водородоподобных ионов. В основу расчётов положим планетарную модель, согласно которой электроны вращаются вокруг ядра под действием сил кулоновского притяжения. Полагаем, что электроны движутся по орбитам круговой формы.

13.1. Принцип соответствия

Квантование углового момента применяется в модели атома водорода, предложенной Бором в 1913г. Бор исходил из того, что в пределе малых квантов энергии результаты квантовой теории должны соответствовать выводам классической механики. Он сформулировал три постулата.

1. Атом может длительное время находиться только в определённыхсостояниях с дискретными уровнями энергии E i . Электроны, вращаясь по соответствующим дискретным орбитам, движутся ускоренно, но, тем не менее, они не излучают. (В классической электродинамике излучает всякая ускоренно движущаяся частица, если она имеет отличный от нуля заряд).

2. Излучение исходит либо поглощается квантами при переходе между энергетическими уровнями:

3. Принцип соответствия. Он гласит, что при переходе между высокими (n >> 1) соседними орбитами n и n + 1 , частота ω n ,n +1 излучаемого кванта энергии равна частоте ω n вращения электрона на n -й орбите.

Из этих постулатов вытекает правило квантования момента вращения электрона

(1.1) M = n ·ħ ,

где n может быть равен любому натуральному числу:

(1.1a) n = 1, 2, 3,…

Параметр n называется главным квантовым числом . Для вывода формул (1.1) выразим энергию уровня через момент вращения. В спектроскопии часто важно знать энергии уровней с пятью–восемью верными знаками, поэтому необходимо учесть движение ядра. Для его учёта вводится понятие приведённой массы.

13.2. Приведённая масса

Электрон движется вокруг ядра под действием электростатической силы

где r - вектор, начало которого совпадает с положением ядра, а конец указывает на электрон. Напомним, что Z - это атомный номер ядра, а заряды ядра и электрона равны, соответственно Ze и -e . По третьему закону Ньютона, на ядро действует сила, равная –f (она равна по модулю и направлена противоположно силе, действующей на электрон). Запишем уравнения движения электрона

Введём новые переменные: скорость электрона относительно ядра

и скорость центра масс

Сложив (2.2a ) и (2.2b ), получим

Таким образом, центр масс замкнутой системы движется равномерно и прямолинейно. Теперь поделим (2.2b) на m Z и вычтем его из (2.2a), делённого на m e . В результате получается уравнение для относительной скорости электрона:

Входящая в него величина

называется приведённой массой . Таким образом, задача о совместном движении двух частиц - электрона и ядра - упрощается. Достаточно рассмотреть движение вокруг ядра одной частицы, положение которой совпадает с положением электрона, а её масса равна приведённой массе системы.

13.3. Связь между энергией и моментом вращения

Сила кулоновского взаимодействия направлена вдоль прямой, соединяющей заряды, а её модуль зависит только от расстояния r между ними. Следовательно, уравнение (2.5) описывает движение частицы в центрально–симметричном поле. Важным свойством движения в поле с центральной симметрией является сохранение энергии и момента вращения.

Запишем условие, что движение электрона по круговой орбите определяется кулоновским притяжением к ядру:

Из него следует, что кинетическая энергия

равна половине потенциальной энергии

взятой с обратным знаком:

Полная энергия E, соответственно, равна:

.

Она получилась отрицательной, как и должно быть для устойчивых состояний. Состояния атомов и ионов с отрицательной энергией называются связанными . Умножив уравнение (3.4) на 2r и заменив в левой части произведение mV r на момент вращения M , выразим скорость V через момент:

.

Подставляя полученное значение скорости в (3.5), получим искомую формулу для полной энергии:

Обратим внимание на то, что энергия пропорциональна чётной степени момента вращения, поэтому E (- M ) = E (M ). В теории Бора этот факт имеет важные следствия.

13.4. Квантование момента вращения

Второе уравнение для переменных V и r мы получим из правила квантования орбит, вывод которого выполним, исходя из постулатов Бора. Дифференцируя формулу (3.5), получаем связь между малыми изменениями момента и энергии:

.

Согласно третьему постулату, частота излучаемого (или поглощаемого) фотона равна частоте обращения электрона на орбите:

.

Из формул (3.4), (4.2) и связи

между скоростью, моментом вращения и радиусом вытекает простое выражение для изменения момента импульса при переходе электрона между соседними орбитами:

Интегрируя (4.3), получаем

.

Константу C будем искать в полуоткрытом интервале

.

Двойное неравенство (4.5) не вносит никаких дополнительных ограничений: если С выходит за пределы (4.5), то её можно вернуть в этот интервал, просто перенумеровав значения момента в формуле (4.4).

Физические законы одинаковы во всех системах отсчёта. Перейдём от правовинтовой системы координат к левовинтовой. Энергия, как всякая скалярная величина, при этом останется прежней,

.

Иначе ведёт себя аксиальный вектор момента вращения. Как известно, всякий аксиальный вектор при выполнении указанной операции меняет знак:

Между (4.6) и (4.7) нет противоречия, так как энергия, согласно (3.7), обратно пропорциональна квадрату момента и остаётся прежней при смене знака M .

Таким образом, набор отрицательных значений момента должен повторять набор его положительных значений. Иными словами, для каждого положительного значения M n обязательно должно найтись равное ему по модулю отрицательное значение M – m :

Объединяя (4.4) – (4.8), получаем линейное уравнение для С :

,

с решением

.

Легко убедиться, что формула (4.9) даёт два значения константы С , удовлетворяющие неравенству (4.5):

.

C =0
C = 1/2

Полученный результат иллюстрирует таблица, в которой приведены ряды момента для трёх значений С: 0, 1/2 и 1/4. Хорошо видно, что в последней строке (n =1/4) величина момента вращения для положительных и отрицательных значений n различается по абсолютной величине.

Совпадение с экспериментальными данными Бору удалось получить, положив константу C равной нулю. Тогда правило квантования орбитального момента описываются формулами (1). Но также имеет смысл и значение C равное половине. Оно описывает внутренний момент электрона, или его спин - понятие, которое будет подробно рассмотрено в других главах. Часто планетарную модель атома излагают, начиная с формулы (1), но исторически она была выведена из принципа соответствия.

13.5. Параметры орбиты электрона

Формулы (1.1) и (3.7) приводит к дискретному набору радиусов орбиты и скоростей электрона, которые можно перенумеровать с помощью квантового числа n :

Им соответствует дискретный энергетический спектр. Полная энергия электрона E n может быть вычислена по формулам (3.5) и (5.1):

Мы получили дискретный набор энергетических состояний атома водорода или водородоподобного иона. Состояние, отвечающее значению n , равному единице, называется основным, все остальные - возбуждёнными, а если n очень велико, , то - сильно возбуждёнными. Рисунок 13.5.1 иллюстрирует формулу (5.2) для атома водорода. Пунктиром

обозначена граница ионизации. Хорошо видно, что первый возбуждённый уровень значительно ближе к границе ионизации, чем к основному

состоянию. Приближаясь к границе ионизации, уровни на рис.13.5.2 постепенно сгущаются

.
Бесконечно много уровней имеет только уединённый атом. В реальной среде различные взаимодействия с соседними частицами приводят к тому, что у атома остаётся только конечное число нижних уровней. Например, в условиях звёздных атмосфер атом имеет обычно 20–30 состояний, но в разреженном межзвёздном газе могут наблюдаться сотни уровней, но не более тысячи.

В первой главе мы ввели ридберг, исходя из соображений размерности. Формула (5.2) раскрывает физический смысл этой константы как удобной единицы измерения энергии атома. Кроме того, она показывает, что Ry зависит от отношения :

В силу большого различия масс ядра и электрона эта зависимость является весьма слабой, но в некоторых случаях ею пренебрегать нельзя. В числителе последней формулы стоит константа

эрг эВ,

к которой стремится величина Ry при неограниченном увеличении массы ядра. Таким образом, мы уточнили единицу измерения Ry , приведённую в первой главе.

Правило квантования момента (1.1), конечно, является менее точным, чем выражение (12.6.1) для собственного значения оператора . Соответственно, формулы (3.6) – (3.7) имеют весьма ограниченный смысл. Тем не менее, как мы убедимся ниже, окончательный результат (5.2) для уровней энергии совпадает с решением уравнения Шредингера. Им можно пользоваться во всех случаях, если релятивистские поправки пренебрежимо малы.

Итак, согласно планетарной модели атома, в связанных состояниях скорость вращения, радиус орбиты и энергия электрона принимают дискретный ряд значений и полностью определяются величиной главного квантового числа. Состояния с положительной энергией называют свободными ; они не квантуются, и все параметры электрона в них, кроме момента вращения, могут принимать любые значения, не противоречащие законам сохранения. Момент вращения квантуется всегда.

Формулы планетарной модели позволяют вычислить потенциал ионизации атома водорода или водородоподобного иона, а также длину волны перехода между состояниями с разными значениями n. Можно также оценить размер атома, линейную и угловую скорости движения электрона по орбите.

Выведенные формулы имеют два ограничения. Во–первых, в них не учитываются релятивистские эффекты, что даёт ошибку порядка (V /c ) 2 . Релятивистская поправка растёт по мере увеличения заряда ядра как Z 4 и для иона FeXXVI уже составляет доли процента. В конце данной главы мы рассмотрим этот эффект, оставаясь в рамках планетарной модели. Во–вторых, помимо квантового числа n энергия уровней определяется другими параметрами - орбитальным и внутренним моментами электрона. Поэтому уровни расщепляются на несколько подуровней. Величина расщепления также пропорциональна Z 4 и становится заметной у тяжёлых ионов.

Все особенности дискретных уровней учитываются в последовательной квантовой теории. Тем не менее, простая теория Бора оказывается простым, удобным и достаточно точным методом исследования структуры ионов и атомов.

13.6.Постоянная Ридберга

В оптическом диапазоне спектра обычно измеряется не энергия кванта E , а длина волны l перехода между уровнями. Поэтому для измерения энергии уровня часто используется волновое число E/hc , измеряемое в обратных сантиметрах. Волновое число, соответствующее , обозначается : см -1

Индекс ¥ напоминает о том, что масса ядра в этом определении считается бесконечно большой. С учётом конечной массы ядра постоянная Ридберга равна

У тяжёлых ядер она больше, чем у лёгких. Отношение масс протона и электрона равно

Подставляя это значение в (2.2) получим численное выражение постоянной Ридберга для атома водорода:

(6.4) R H = 109677.58 см -1 .

Ядро тяжёлого изотопа водорода - дейтерия - состоит из протона и нейтрона, и приблизительно вдвое тяжелее ядра атома водорода - протона. Поэтому, согласно (6.2), постоянная Ридберга у дейтерия R D больше, чем у водорода R H:

(6.5) R D = 109708.60 см -1 .

Ещё выше она у нестабильного изотопа водорода - трития, ядро которого состоит из протона и двух нейтронов.

У элементов середины таблицы Менделеева эффект изотопического сдвига конкурирует с эффектом, связанным с конечными размерами ядра. Эти эффекты имеют противоположный знак и компенсируют друг друга для элементов, близких к кальцию.

13.7. Изоэлектронная последовательность водорода

Согласно определению, данному в четвёртом разделе седьмой главы, ионы, состоящие из ядра и одного электрона, называются водородоподобными. Иными словами, они относятся к изоэлектронной последовательности водорода. Их структура качественно напоминает атом водорода, а положение энергетических уровней ионов, заряд ядра которых не слишком велик (Z < 10), может быть вычислено по простой формуле (5.2). Однако у высокозарядных ионов (Z > 20) появляются количественные отличия, связанные с релятивистскими эффектами: зависимостью массы электрона от скорости и спин–орбитальным взаимодействием.

Мы рассмотрим наиболее интересные в астрофизике ионы гелия, кислорода и железа. В спектроскопии заряд иона задаётся с помощью спектроскопического символа , который записывается римскими цифрами справа от символа химического элемента. Число, изображаемое римской цифрой, на единицу превышает количество удалённых из атома электронов. Например, атом водорода обозначается как HI , а водородоподобные ионы гелия, кислорода и железа, соответственно, HeII , OVIII и FeXXVI . Для многоэлектронных ионов спектроскопический символ совпадает с эффективным зарядом, который «чувствует» валентный электрон.

Рассчитаем движение электрона по круговой орбите с учётом релятивистской зависимости его массы от скорости. Уравнения (3.1) и (1.1) в релятивистском случае выглядят следующим образом:

Приведённая масса m определена формулой (2.6). Напомним также, что

β = V /c .

Умножим первое уравнение на r 2 и поделим его на второе. В результате получим

Постоянная тонкой структуры a введена в формуле (2.2.1) первой главы. Зная скорость, вычисляем радиус орбиты:

В специальной теории относительности кинетическая энергия равна разности полной энергии тела и его энергии покоя при отсутствии внешнего силового поля:

Потенциальная энергия U как функция r определяется формулой (3.3). Подставляя в выражения для T и U полученные значения b и r , получим полную энергию электрона:

Для электрона, вращающегося на первой орбите водородоподобного иона железа, величина b 2 равна 0.04. У более лёгких элементов она, соответственно, ещё меньше. При справедливо разложение

Первое слагаемое, как легко убедиться, с точностью до обозначений равно значению энергии (3.5) в нерелятивистской теории Бора, а второе представляет собой искомую релятивистскую поправку. Обозначим первое слагаемое как E B , тогда

Итак, относительная величина релятивистской поправки пропорциональна произведению (a Z ) 2 . Учёт зависимости массы электрона от скорости приводит к увеличению глубины уровней. Это можно понять следующим образом: абсолютная величина энергии растёт вместе с массой частицы, а движущийся электрон тяжелее неподвижного. Ослабление эффекта с ростом квантового числа n является следствием более медленного движения электрона в возбуждённом состоянии.

13.8. Высоковозбуждённые состояния

Состояния атома или иона любого химического элемента, в котором один из электронов находится на высоком энергетическом уровне, называют высоковозбуждёнными , или ридберговскими. Они обладают важным свойством: положение уровней возбуждённого электрона с достаточно высокой точностью может быть описано в рамках модели Бора. Дело в том, что электрон с большим значением квантового числа n , согласно (5.1), находится очень далеко от ядра и других электронов. Такой электрон в спектроскопии принято называть «оптическим», или «валентным», а остальные электроны вместе с ядром - «атомным остатком». Схематически структура атома с одним сильно возбуждённым электроном изображена на рис.13.8.1. Слева внизу помещен атомный

остаток: ядро и электроны в основном состоянии. Пунктирная стрелка указывает на валентный электрон. Расстояния между всеми электронами внутри атомного остатка гораздо меньше, чем расстояние от любого из них до оптического электрона. Поэтому их суммарный заряд можно считать практически полностью сосредоточенным в центре. Следовательно, можно полагать, что оптический электрон движется под действием кулоновской силы, направленной к ядру, и, таким образом, его уровни энергии вычисляются по формуле Бора (5.2). Электроны атомного остатка экранируют ядро, но не полностью. Для учёта частичной экранировки введено понятие эффективного заряда атомного остатка Z eff . В рассматриваемом случае сильно удалённого электрона величина Z eff равна разности атомного номера химического элемента Z и числа электронов атомного остатка. Здесь мы ограничимся случаем нейтральных атомов, для которых Z eff = 1.

Положение сильно возбуждённых уровней получается в теории Бора для любого атома. Достаточно в (2.6) заменить m Z на массу атомного остатка m R , которая меньше массы атома m A на величину массы электрона. С помощью получаемого отсюда тождества

мы можем выразить постоянную Ридберга как функцию атомного веса A рассматриваемого химического элемента:

Множитель перед A равен обратной величине атомного веса электрона. В расчётах мы исходили из физической шкалы, в которой атомный вес изотопа углерода 12 С равен точно двенадцати. Атомные веса водорода и гелия в этой шкале равны, соответственно, 1.007825 и 4.00260.

Санкт-Петербург

Цель работы : получение численного значения постоянной Ридберга для атомного водорода из экспериментальных данных и его сравнение с рассчитанной теоретически.
Основные закономерности в изучении атома водорода.
Спектральные линии атома водорода в своей последовательности обнаруживают простые закономерности.

В 1885 г. Бальмер показал на примере спектра испускания атомного водорода (рис. 1), что длины волн четырёх линий, лежащих в видимой части и обозначаемых символами Н  ,Н  , Н  , Н  , можно точно представить эмпирической формулой

где вместо n следует подставить числа 3, 4, 5, и 6; В – эмпирическая константа 364,61 нм .

Подставив в формулу Бальмера целые числа n = 7, 8, …, можно получить также и длины волн линий в ультрафиолетовой области спектра.

Закономерность, выраженная формулой Бальмера, становится особенно наглядной, если представить эту формулу в том виде, в каком ею пользуются в настоящее время. Для этого следует преобразовать ее так, чтобы она позволяла вычислять не длиныволн, а частоты или волновые числа.

Известно, что частота , с -1 - число колебаний в 1 сек., где с – скорость света в вакууме; - длина волны в вакууме.

Волновое число – это число длин волн, укладывающихся в 1 м:

, м -1 .

В спектроскопии чаще пользуются волновыми числами, так как длины волн в настоящее время определяются с большой точностью, следовательно, с той же точностью известны и волновые числа, тогда как скорость света, а значит и частота, определены со значительно меньшей точностью.

Из формулы (1) можно получить

(2)

обозначив через R , перепишем формулу (2):

где n = 3, 4, 5, … .

Рис. 2
Рис. 1
Уравнение (3) представляет собой формулу Бальмера в обычном виде. Выражение (3) показывает, что по мере увеличения n разность между волновыми числами соседних линий уменьшается и при n мы получаем постоянное значение . Таким образом, линии должны постепенно сближаться, стремясь к предельному положению . На рис. 1 теоретическое положение предела этой совокупности спектральных линий обозначено символом Н  , а сближение линий при движении к нему явно имеет место. Наблюдение показывает, что с увеличением числа линии n закономерно уменьшается ее интенсивность. Так, если схематически представить расположение спектральных линий, описываемых формулой (3), вдоль оси абсцисс и условно изобразить длиной линий их интенсивность, то получится картина, показанная на рис. 2. Совокупность спектральных линий, обнаруживающих в своей последовательности и в распределении интенсивности закономерность, схематически представленную на рис. 2, называется спектральной серией.

Предельное волновое число, около которого сгущаются линии при n , называется границей серии. Для серии Бальмера это волновое число  2742000 м -1 , и ему соответствует значение длины волны  0 = 364,61 нм .

Наряду с серией Бальмера в спектре атомного водорода был обнаружен ряд других серий. Все эти серии могут быть представлены общей формулой

где n 1 имеет для каждой серии постоянное значение n 1 = 1, 2, 3, 4, 5,…; для серии Бальмера n 1 = 2; n 2 – ряд целых чисел от (n 1 + 1) до .

Формула (4) называется обобщенной формулой Бальмера. Она выражает собой один из главных законов физики – закон, которому подчиняется процесс изучения атома.

Теория атома водорода и водородоподобных ионов создана Нильсом Бором. В основе теории лежат постулаты Бора, которым подчиняются любые атомные системы.

Согласно первому квантовому закону (первому постулату Бора), атомная система является устойчивой лишь в определенных – стационарных – состояниях, соответствующих некоторой дискретной последовательности значений энергии Е i системы, любое изменение этой энергии связано со скачкообразным переходом системы из одного стационарного состояния в другое. В соответствии с законом сохранения энергии переходы атомной системы из одного состояния в другое связаны с получением или отдачей энергии системой. Это могут быть либо переходы с излучением (оптические переходы), когда атомная система испускает или поглощает электромагнитное излучение, либо переходы без излучения (безызлучательные, или неоптические), когда происходит непосредственный обмен энергией между рассматриваемой атомной системой и окружающими системами, с которыми она взаимодействует.

Второй квантовый закон относится к переходам с излучением. Согласно этому закону электромагнитное излучение, связанное с переходом атомной системы из стационарного состояния с энергией Е j в стационарное состояние с энергией Е l  Е j , является монохроматическим, и его частота определяется соотношением

Е j - Е l = hv , (5)

где h – постоянная Планка.

Стационарные состояния Е i в спектроскопии характеризуют уровни энергии, а об излучении говорят как о переходах между этими уровнями энергии. Каждому возможному переходу между дискретными уровнями энергии соответствует определенная спектральная линия, характеризуемая в спектре значением частоты (или волнового числа) монохроматического излучения.

Дискретные уровни энергии атома водорода определяются известной формулой Бора

(6)

(СГС) или (СИ), (7)

где n – главное квантовое число; m – масса электрона (точнее, приведенная масса протона и электрона).

Для волновых чисел спектральных линий согласно условию частот (5) получается общая формула

(8)

где n 1  n 2 , а R определяется формулой (7). При переходе между определенным нижним уровнем (n 1 фиксировано) и последовательными верхними уровнями (n 2 изменяется от (n 1 +1 ) до ) получаются спектральные линии атома водорода. В спектре водорода известны следующие серии: серия Лаймана (n 1 = 1, n 2  2); серия Бальмера (n 1 = 2; n 2  3); серия Пашена (n 1 = 3, n 2  4); серия Брекета (n 1 = 4, n 2  5); серия Пфунта (n 1 = 5, n 2  6); серия Хамфри (n 1 = 6, n 2  7).

Схема уровней энергии атома водорода приведена на рис. 3.

Рис. 3

Как видим, формула (8) совпадает с формулой (4), полученной эмпирически, если R – постоянная Ридберга, связанная с универсальными константами формулой (7).
Описание работы.

Нам известно, что серия Бальмера дается уравнением

Из уравнения (9), отложив по вертикальной оси значения волновых чисел линий серии Бальмера, а по горизонтальной – соответственно значения , получаем прямую, угловой коэффициент (тангенс угла наклона) которой дает постоянную R , а точка пересечения прямой с осью ординат дает значение (рис. 4).

Для определения постоянной Ридберга нужно знать квантовые числа линий серии Бальмера атомного водорода. Длины волн (волновые числа) линий водорода определяются с помощью монохроматора (спектрометра).

Рис. 4

Изучаемый спектр сравнивается с линейчатым спектром, длины волн которого известны. По спектру известного газа (в данном случае по спектру паров ртути, изображенному на рис. 5), можно построить градуировочную кривую монохроматора, по которой затем определить длины волн излучения атомного водорода.
Рис. 4

Градуировочная кривая монохроматора для спектра ртути:

Для ртути:

n

m