Атомні спектри - фізична енциклопедія

АТОМНІ СПЕКТРИ - спектри поглинання і випускання вільних або слабо взаємодіючих атомів, що виникають при випромінювальних квантових переходах між їх рівнями енергії. А. с. спостерігаються для розріджених газів або парів і для плазми. А. с. лінійчатих, т. е. складаються з отд. спектральних ліній. кожна з яких брало відповідає переходу між двома електронними рівнями енергії атома і і характеризується значенням частоти поглинається і випускається ел - магн. випромінювання; згідно з умовою частот Бора (див. Атомна фізика). Поряд з частотою, спектральна лінія характеризується хвильовим числом (з - швидкість світла) і довжиною хвилі. Частоти спектральних ліній висловлюють в с -1. хвильові числа - в см -1. довжини хвиль - в нм і мкм, а також в ангстремах (). У спектроскопії хвильові числа також позначають буквою.

Під А. с. у вузькому сенсі слова розуміють оптич. спектри атомів, т. е. спектри, що лежать у видимій, близькій ІK- (до дек. нм) і УФ-областях спектра і відповідні переходам між рівнями зовн. електронів з типовими речами енергій порядку неск. еВ (в шкалі хвильових чисел порядку десятків тисяч см -1). До А. с. в широкому сенсі відносяться також і типовий. рентгенівські спектри атомів, відповідні переходам між рівнями внутр. електронів атомів з дивовижними речами енергій

10 3 -10 4 еВ, і спектри в області радіочастот, що виникають при переходах між рівнями тонкої структури і надтонкої структури (див. Також Радіоспектроскопія) і при переходах між дуже високими збудженими рівнями атомів (такі переходи спостерігаються методами радіоастрономії).

Для цього елемента можуть спостерігатися спектральні лінії нейтрального атома і спектральні лінії іонізованого атома. Лінії спектра нейтрального атома прийнято відзначати цифрою I при символі хім. елемента, лінії, що належать покладе. іонів, - римськими цифрами II, III. соотв. кратності іона (напр. NaI, NaII, NaIII. для Na, Na +. Na ++.), при цьому часто говорять про 1-м, 2-м, 3-м. спектрі даного елемента.

Наїб. простими А. с. мають атом водню і водородоподобном іони (спектри HI, HeII, LiIII.), к-які складаються з закономірно розташованих спектральних ліній, що утворюють спектральні серії.

Хвильові числа для спектральних ліній серії атома водню і водородоподобних атомів визначаються ф-лій

де nk і ni - гл. квантові числа для нижнього і верхнього рівнів енергії (див. рис. 1 в ст. Атом R), - Рідбергу постійна. Z - ат. номер. При nk = 1, 2, 3, 4, 5,6 і ni = nk + l, nk +2. h для атома водню (Z = 1) виходять соотв. серії Лаймана, Бальмера, Пашена, брекетах, Пфунда, Хамфрі. Для кожної серії існує межа - межа іонізації. відповідна. лінії серії сходяться до кордону іонізації. У лаб. умовах спостереження спектра водню (напр. в електричні. розрядах) серія Лаймана виходить як в поглинанні, так і в випущенні. У спектрі Сонця спостерігається в поглинанні і серія Бальмера (що пов'язано з порушенням при високих темп-pax поч. Рівня = 2).

Спектральні лінії атома водню мають дублетних тонку структуру. обумовлену взаємодією спина електронів з його орбітальним моментом (див. Спін-орбітальна взаємодія;) величина розщеплення ліній - порядку десятих часток см -1. Це розщеплення для водородоподобних іонів зростає пропорційно Z 4. т. Е. Для HeII в 16 разів у порівнянні з HI.

Порівняно простими спектрами мають атоми лужних металів, що мають один зовн. електрон (одноелектронні А. с.), їх спектральні лінії також групуються в серії, хвильові числа яких брало виражаються наближеною ф-лій Ридберга:

серія виходить при заданому nk і разл. значеннях ni; а й b постійні для даної серії. Разл. серії (гл. серія, дифузна серія, різка серія та ін.) відрізняються значеннями а і b. залежними від азимутального квантового числа l. Спектральні лінії мають дублетних тонку структуру, причому величина розщеплення швидко зростає зі збільшенням Z (від Li до Cs).

Більш складними А. с. (Двохелектронними спектрами) мають атоми з двома зовн. електронами; ще складніше спектри атомів з трьома і більше зовн. електронами. Особливо складні спектри елементів, для яких брало відбувається добудова внутр. електронних оболонок (d-оболонок перехідних елементів і-оболонок у лантаноїдів і актиноїдів; см. Періодична система елементів). У складних спектрах серії вже не вдається виділити. Спектральні лінії утворюють групи - мультіплети. У наиб. складних А. с. число спектральних ліній доходить до багатьох тисяч. Інтерпретація складних спектрів з встановленням схеми рівнів енергії і квантових переходів між ними представляє важку задачу систематики А. с.

Систематика А. с. заснована на характеристиці рівнів атома за допомогою квантових чисел і на відбору правилах, що визначають, які з квантових переходів можливі. При наявності одного зовн. електрона рівні енергії атома характеризуються (крім гл. квантового числа електрона) його квантовими числами l, s і j. визначальними величини орбітального моменту, спинового моменту і повного моменту. Згідно з правилами відбору. = 0 1. Для атомів з двома або дек. зовн. електронами характеристика рівнів енергії більш складна і може бути проведена виходячи з наближеною характеристики одноелектронних станів за допомогою квантових чисел Пi. li і si (li = 0, 1, 2. ni = 1, I і застосовуючи векторну схему складання орбітальних моментів і спінових моментів.

У разі нормального зв'язку, коли електростатіч. взаємодії електронів багато більше їх магн. взаємодій, що найчастіше має місце, орбітальні моменти отд. електронів складаються в повний орбітальний момент, а їх спінові моменти в повний спінової момент; потім додавання і дає повний момент атома:. Рівні енергії характеризуються значеннями квантових чисел L, S і J. визначають величини відповідних моментів. Квантове число J зберігає свій сенс і при ін. Схемах зв'язку, коли відповідно до величин взаємодій моменти слід складати в ін. Послідовності [зокрема, в разі -Зв'язку

; цей випадок має місце, коли магн. взаємодії багато більше електростатичних]. J визначає величину повного моменту атома незалежно від схеми зв'язку, і для нього має місце правило відбору.

При нормальній зв'язку квантове число S. визначає величину повного спінового моменту атома S, приймає цілі значення S = 0, 1, 2. якщо атом містить парне число електронів, і напівцілим значення якщо атом містить непарне число електронів. Величина = 2S + 1 визначає мул'тіплетност' рівнів енергії атома і грає важливу роль в систематиці А. с.

Рівні енергії атомів прийнято позначати (в разі нормальної зв'язку) символами, де значення L = 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7. вказуються прописними буквами S, P, D, F, G, H, J, L.. відповідно. Так, 3 D2 позначає рівень з L = 2, S = 1 (= 2S + 1 = 3) і J = 2; 1 S0 -рівень з L = 0, S = 0 (= 25 + 1 = 0) і J = 0. Непарні рівні (див. Парність у рівня) позначають індексом °, напр. (Непарний рівень з L = 1, S = 1/2. J = 1/2).

Для більш докладної характеристики рівня перед символом вказують електронну конфігурацію (див. Атом), напр. для атома Чи не рівень 3 S1. що виникає з конфігурації 1s2s. позначається як (L = 0, S = s1 + s2 = 1, J = 1). Для одноелектронного атома повний запис буде і скорочено пишуть просто, напр. для осн. рівня атома водню (n = 1, L = 0, S = J = 1/2) замість.