атомні спектри
АТОМНІ СПЕКТРИ, спектри поглинання і випускання вільних або слабо взаємодіючих атомів, що виникають при випромінювальних квантових переходах між їх рівнями енергії. Атомні спектри спостерігаються для розріджених газів або парів і для плазми. Атомні спектри - лінійчатих, т. Е. Складаються з окремих спектральних ліній, кожна з яких відповідає переходу між двома електронними рівнями енергії атома Ei і Ек і характеризується значенням частоти V поглинається або випускається електромагнітного випромінювання згідно з умовою частот Бора (дивись Бора постулати), hv = Ei - Ек. де h - постійна Планка. Поряд з частотою спектральна лінія характеризується довжиною хвилі λ = с / v (с - швидкість світла) і хвильовим числом v / с = 1 / λ. Частоти спектральних ліній висловлюють в с -1. хвильові числа - в см -1. довжини хвиль - в нм і мкм, а також в ангстремах (А). У спектроскопії хвильові числа також позначають буквою v. Спектри атомів кожного хімічного елемента індивідуальні, хвильові числа спектральних ліній для атомів хімічних елементів наводяться в таблицях.
Під атомним спектрами у вузькому сенсі розуміють оптичні спектри атомів, т. Е. Спектри, що лежать у видимій, близькій інфрачервоній (довжиною хвилі до декількох нм) і ультрафіолетовій областях спектру і відповідні переходам між рівнями зовнішніх електронів з типовими речами енергій порядку декількох еВ (в шкалою хвильових чисел - порядку десятків тисяч см -1). До атомних спектрах в широкому сенсі відносяться також і характеристичні рентгенівські спектри атомів, відповідні переходам між рівнями внутрішніх електронів атомів з дивовижними речами енергій порядку 10 3 -10 4 еВ, і спектри в області радіочастот, що виникають при переходах між рівнями тонкої структури і надтонкої структури (дивись також Радіоспектроскопія) і при переходах між дуже високими збудженими рівнями атомів (дивись ридберговских стану атома).
Для даного хімічного елемента можуть спостерігатися спектральні лінії нейтрального атома і спектральні лінії іонізованого атома. Лінії спектра нейтрального атома прийнято відзначати римською цифрою I при символі елемента, лінії, що належать позитивним іонам, - цифрами II, III. відповідними кратності іона (наприклад, NaI, NaII, NaIII. для Na, Na +. Na 2+.), при цьому часто говорять про 1-м, 2-м, 3-м. спектрі даного елемента.
Найбільш простими атомними спектрами мають атом водню і водородоподобном іони (спектри HI, HeII, LiIII.), Які складаються з закономірно розташованих спектральних ліній, що утворюють спектральні серії. Хвильові числа для спектральних ліній серії атома водню і водородоподобних іонів визначаються формулою
де nk і ni - головні квантові числа для нижнього і верхнього рівнів енергії, що беруть участь в квантовому переході (дивись малюнок 1 в статті Атом), R - постійна Рідберга, Z - атомний номер. При nk = 1, 2, 3, 4, 5, 6 і ni = nk + 1, nk + 2. 5 для атома водню (Z = 1) виходять відповідно серії Лаймана, Бальмера, Пашена, брекетах, Пфунда, Хамфрі. Для кожної серії існує межа - межа іонізації, відповідна ni → ∞; лінії серії сходяться до кордону іонізації. У лабораторних умовах спостереження спектра водню (наприклад, в електричних 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 температурах початкового рівня nк = 2).
Спектральні лінії атома водню мають дублетних тонку структуру, обумовлену взаємодією спина електронів з його орбітальним моментом (дивись Спін-орбітальна взаємодія), величина розщеплення ліній - порядку десятих часток см-1 Це розщеплення для водородоподобних іонів зростає пропорційно Z 4. тобто для HeII - в 16 разів у порівнянні з HI.
Порівняно простими спектрами мають атоми лужних металів, що мають один зовнішній електрон, їх спектральні лінії також групуються в серії (головна серія, дифузна серія, різка серія і ін.) І мають дублетних тонку структуру, причому величина розщеплення швидко зростає зі збільшенням Z (від Li до Cs).
Більш складними атомними спектрами мають атоми з двома зовнішніми електронами, ще складніше спектри атомів з трьома і більше зовнішніми електронами. Особливо складні спектри елементів, для яких відбувається добудова внутрішніх електронних оболонок (d- і f-оболонок у перехідних елементів; дивись Періодична система хімічних елементів). У складних спектрах серії вже не вдається виділити. Спектральні лінії утворюють групи - мультіплети. У найбільш складних атомних спектрах число спектральних ліній доходить до багатьох тисяч.
Інтерпретація складних спектрів з встановленням схеми рівнів енергії і квантових переходів між ними представляє важку задачу систематики атомних спектрів. Систематика атомних спектрів заснована на характеристиці рівнів атома за допомогою квантових чисел і на відбору правилах, що визначають, які з квантових переходів можливі.
Малюнок дивись в статті Спектри оптичні.