Випромінювання і поглинання енергії атомами

§ 35.16. Випромінювання і поглинання енергії атомами.

Відповідно до теорії Бора при русі електрона по найближчій до ядру дозволеної орбіті атом знаходиться в основному стані, що є найбільш стійким. В основному стані атом може перебувати необмежено довгий час, оскільки цей стан відповідає найменшому можливому енергетичному рівню атома.

Коли електрон рухається по будь-якій іншій з дозволених орбіт, стан атома називається збудженим і є менш стійким, ніж основний стан. Через невеликий час (близько атом мимовільно переходить із збудженого стану в основний, випромінюючи при цьому квант енергії.

Навпаки, перехід атома в збуджений стан пов'язаний зі збільшенням енергії атома і тому може відбуватися тільки під впливом зовнішнього впливу на атом, наприклад при поглинанні

атомом фотона, при зіткненні з іншим атомом або електроном і т. п.

Коли атом знаходиться в основному стані, то він може поглинути тільки таку порцію енергії, яка необхідна для його переходу в один з можливих збуджених станів. При переході на більш високий енергетичний рівень атом може поглинути тільки цілий квант енергії.

Виняток становить випадок, коли зовнішній вплив може повідомити атому енергію більше тієї, яка необхідна для його іонізації. При цьому частина енергії зовнішнього впливу витрачається на іонізацію атома, а надлишок енергії передається вирваному з атома електрону у вигляді його кінетичної енергії, яка може мати довільну величину.

Зазвичай енергію квантів висловлюють в електронвольтах. Електронвольт (еВ) називається робота, здійснюється електричним полем при переміщенні електрона між двома точками з різницею потенціалів в 1 В.

Так як робота виражається формулою то

Щоб іонізувати атом водню, що знаходиться в нормальному стані, йому потрібно повідомити енергію в 13,54 еВ.

На рис. 35.17 зображена схема атома водню, на якій показані п'ять можливих орбіт електрона (стрілками вказано можливі переходи електрона з однієї орбіти на іншу).

Бор показав, що радіус найближчої до ядра орбіти, відповідної нормальному (т. Е. Непорушення) станом атома водню, дорівнює і радіуси дозволених орбіт пропорційні квадратах чисел натурального ряду, т. Е. 1, 4, 9 і т. Д. Якщо атом знаходиться в збудженому стані, то при переході електрона на ближчу до ядра орбіту атом виділяє квант Енергін у вигляді випромінювання певної частоти. Електрон може перейти, наприклад, з п'ятої орбіти як відразу на першу, так і на будь-яку проміжну.

Таким чином, з теорії Бора випливає, що у формулі (35.9) означає номер орбіти, з якої відбувається перехід електрона, номер орбіти, на яку потрапляє електрон після переходу. При кожному з переходів з одного енергетичного рівня на інший випромінюються різні кванти енергії.

На рис. 35.18 зображені енергетичні рівні атома водню, які відповідають різним орбітам електрона. З малюнка видно, що при переході електрона з більш високих орбіт на першу звільняється енергії набагато більше, ніж при переході на другу. Це пояснює, чому серія Лаймана лежить в ультрафіолетовій

частини спектра, а серія Бальмера - у видимій частині (довжини хвиль випромінювання вказані на рис. 35.18 в нм).

Отже, можна зробити наступні висновки:

1) вільний атом поглинає і випромінює енергію тільки цілими квантами;

2) при переході в збуджений стан атом поглинає тільки такі кванти, які може сам випускати.

З останнього твердження випливає, що вільні атоми поглинають тільки такі промені, які можуть самі випускати. Тому положення ліній в спектрах поглинання і випускання газів і парів збігаються (§§ 34.9 і 34.10).

Виключне сталість частот випромінювання атомів було використано для визначення нового зразка основної одиниці часу - секунди. За міжнародною угодою для цієї мети була обрана одна з частот випромінювання атомів цезію-133 і секунда визначається як інтервал часу, протягом якого відбувається певна кількість коливань (9 192 631 770), відповідних цій частоті.

Розглянута вище схема енергетичних рівнів атома водню є найпростішою. Чим більше електронів має атом, тим складніше схема його енергетичних рівнів і спектр. Так, спектр заліза складається з декількох тисяч ліній.

Ще більш складний спектр дають молекули.

Енергія молекули складається з трьох складових: енергії електронів, енергії коливального руху ядер атомів і енергії обертання ядер щодо загального центра ваги. Всі ці складові дискретні, і їх зміна має квантовий характер. При різних поєднаннях цих трьох квантових складових енергії утворюється досить велика кількість можливих енергетичних рівнів молекули. Зрозуміло, що і число можливих переходів з одного енергетичного стану в інший дуже велике. Таким чином виходять смугасті спектри молекул, в яких кожна зі смуг складається з декількох близько розташованих ліній.

У рідких і твердих тілах, де частинки сильно взаємодіють один з одним, енергія кожної частки включає в себе і енергію її взаємодії з іншими частинками. Так як енергія взаємодії частинок може мати найрізноманітніші значення, то замість окремих енергетичних рівнів утворюються суцільні смуги можливих енергетичних станів. Тому і величина квантів випромінювання може бути будь-якою і спектр випромінювання получагтся суцільним. Такий спектр має температурне випромінювання, властивості якого визначаються температурою і мало залежать від структури речовини і будови його частинок.