§ 194. Спектры атомов в оптической области

Возможно наблюдение атомных спектров поглощения и спектров испускания. Однако основное значение имеют лишь последние. Атомные спектры испускания в оптической области можно получить, исследуя при помощи спектрографов излучение, которое создается парами тел, твердых при обычной температуре, или газами.

Чтобы атомы излучали, их надо возбудить, т. е. заставить перейти с более низкого на более высокий энергетический уровень. При возвращении атома на более низкие уровни энергии и возникает спектр испускания. Каждому переходу будет соответствовать одна линия в спектре.

Возбуждение атомов осуществляется различными путями. Один из способов заключается в использовании газового разряда. Напряжение, приложенное к газоразрядной трубке, ускоряет заряженные частицы, находящиеся в газе. Эти частицы сталкиваются с нейтральными атомами и ударом передают им энергию. Другой способ, применяющийся в спектральном анализе металлов, состоит в создании дуги или искры между двумя электродами, сделанными из изучаемого материала. В искре и дуге развиваются весьма высокие температуры, вещество испаряется в пространстве разряда. Возбуждение атомов достигается благодаря соударениям.

Атомный спектр испускания состоит из огромного числа резких линий. Частота излучения, соответствующая каждой линии, подчиняется уравнению Таким образом, измеряя частоты излученного света, мы можем судить о разности энергетических уровней данного атома. Можно довольно уверенно расшифровать спектры атомов, т. е. находить по значениям частот излучения картину энергетических уровней. Данные о спектральных линиях элементов и их энергетических уровнях приводятся в справочниках.

Не следует думать, что в спектре содержатся линии, соответствующие переходу с любого уровня на любой. Опыт показал (и теория дала этому обоснование), что существуют некоторые правила отбора, или правила запрета. Определенные переходы являются запрещенными и не осуществляются.

Разумеется, нельзя сказать, в какое более низкое по энергии состояние перейдет возбужденный атом и спектральная линия какой именно частоты будет излучена. Но не все переходы оказываются равновероятными. Теория может в принципе подсчитать вероятность перехода с одного уровня на другой. Величина этой вероятности определяет в основном интенсивность соответствующей спектральной линии.

На спектры атомов влияют внешние поля. Если излучающее вещество находится в электрическом или магнитном поле, то ряд спектральных линий расщепляется на несколько компонент. Энергия системы, обладающей магнитным моментом и находящейся во внешнем магнитном поле дается выражением (см. стр. 246). Состояния с одними и теми же квантовыми числами могут отличаться друг от друга проекцией магнитного момента на направление магнитного поля. Поэтому наложение магнитного поля снимает вырождение энергетических уровней, атомные электроны с разными магнитными квантовыми числами будут обладать уже различной энергией.

Исследования атомных спектров испускания в оптической области имеют большое практическое значение: на них основан метод спектрального анализа веществ (преимущественно сплавов) — очень чувствительный способ (вплоть до определения химического состава, вытесняющий в ряде случаев химический анализ.

Оптические частоты возникают обычно при относительно небольшом возбуждении атома, переводящем на более высокий уровень внешние, валентные электроны. Однако даже самый «верхний» электрон может создать спектр большего диапазона. Казалось бы, что излучение не имеет границы со стороны малых частот. Действительно, из картины энергетических уровней (на рис. 214 изображены уровни и переходы для водорода, однако в принципе таковы же картины и для других атомов) мы видим, что при больших уровни сближаются и, следовательно, существуют переходы, приводящие к сколь угодно малым частотам, а значит, к длинным волнам. Однако опыт показывает, что спектры, создаваемые внешними электронами,

хотя и существенно заходят в область инфракрасного спектра, но все же не дают линий с очень большой длиной волны. Это значит, что вероятность перехода атома на какой-нибудь, скажем 21-й, уровень энергии невелика, а вероятность перехода с 21-го на 20-й (в этом случае был бы излучен фотон с малым совсем ничтожна.

Что же касается наибольших частот (наиболее коротких волн), то они ограничены ионизационным потенциалом. Если речь идет о «верхнем» электроне, то наибольшим является потенциал гелия, а наименьшим — цезия, а именно, Это будет соответствовать частотам излучения Гц Таким образом, только один верхний электрон может нас продвинуть в область очень коротких ультрафиолетовых волн, которую в то же время можно назвать областью очень длинных волн по сравнению с рентгеновским характеристическим излучением.

Вполне понятно, что при больших возбуждениях подниматься на верхние уровни уже будут способны электроны, лежащие в глубине атома. В состав характеристического спектра начнут входить рентгеновские лучи.