§ 35.16. Излучение и поглощение энергии атомами.

Согласно теории Бора при движении электрона по ближайшей к ядру дозволенной орбите атом находится в основном состоянии, являющемся наиболее устойчивым. В основном состоянии атом может находиться неограниченно долгое время, поскольку это состояние соответствует наименьшему возможному энергетическому уровню атома.

Когда электрон движется по какой-либо другой из дозволенных орбит, состояние атома называется возбужденным и является менее устойчивым, чем основное состояние. Через небольшое время (порядка атом самопроизвольно переходит из возбужденного состояния в основное, излучая при этом квант энергии.

Наоборот, переход атома в возбужденное состояние сопряжен с увеличением энергии атома и поэтому может происходить только под влиянием внешнего воздействия на атом, например при поглощении

атомом фотона, при столкновении с другим атомом или электроном и т. п.

Когда атом находится в основном состоянии, то он может поглотить только такую порцию энергии, которая необходима для его перехода в одно из возможных возбужденных состояний. При переходе на более высокий энергетический уровень атом может поглотить только целый квант энергии.

Исключение составляет случай, когда внешнее воздействие может сообщить атому энергию больше той, которая необходима для его ионизации. При этом часть энергии внешнего воздействия тратится на ионизацию атома, а избыток энергии передается вырванному из атома электрону в виде его кинетической энергии, которая может иметь произвольную величину.

Обычно энергию квантов выражают в электронвольтах. Электронвольтом (эВ) называется работа, совершаемая электрическим полем при перемещении электрона между двумя точками с разностью потенциалов в 1 В.

Так как работа выражается формулой то

Чтобы ионизировать атом водорода, находящийся в нормальном состоянии, ему нужно сообщить энергию в 13,54 эВ.

На рис. 35.17 изображена схема атома водорода, на которой показаны пять возможных орбит электрона (стрелками указаны возможные переходы электрона с одной орбиты на другую).

Рис. 35.17.

Бор показал, что радиус ближайшей к ядру орбиты, соответствующей нормальному (т. е. невозбужденному) состоянию атома водорода, равен и радиусы дозволенных орбит пропорциональны квадратам чисел натурального ряда, т. е. 1, 4, 9 и т. д. Если атом находится в возбужденном состоянии, то при переходе электрона на более близкую к ядру орбиту атом выделяет квант энергин в виде излучения определенной частоты. Электрон может перейти, например, с пятой орбиты как сразу на первую, так и на любую промежуточную.

Таким образом, из теории Бора следует, что в формуле (35.9) означает номер орбиты, с которой происходит переход электрона, номер орбиты, на которую попадает электрон после перехода. При каждом из переходов с одного энергетического уровня на другой излучаются различные кванты энергии.

На рис. 35.18 изображены энергетические уровни атома водорода, соответствующие различным орбитам электрона. Из рисунка видно, что при переходе электрона с более высоких орбит на первую освобождается энергии гораздо больше, чем при переходе на вторую. Это объясняет, почему серия Лаймана лежит в ультрафиолетовой

части спектра, а серия Бальмера — в видимой части (длины волн излучения указаны на рис. 35.18 в нм).

Итак, можно сделать следующие выводы:

1) свободный атом поглощает и излучает энергию только целыми квантами;

2) при переходе в возбужденное состояние атом поглощает только такие кванты, которые может сам испускать.

Из последнего утверждения следует, что свободные атомы поглощают только такие лучи, которые могут сами испускать. Поэтому положения линий в спектрах поглощения и испускания газов и паров совпадают (§§ 34.9 и 34.10).

Исключительное постоянство частот излучения атомов было использовано для определения нового эталона основной единицы времени — секунды. По международному соглашению для этой цели была выбрана одна из частот излучения атомов цезия-133 и секунда определяется как интервал времени, в течение которого совершается определенное число колебаний (9 192 631 770), соответствующих этой частоте.

Рис. 35.18.

Рассмотренная выше схема энергетических уровней атома водорода является простейшей. Чем больше электронов имеет атом, тем сложнее схема его энергетических уровней и спектр. Так, спектр железа состоит из нескольких тысяч линий.

Еще более сложный спектр дают молекулы.

Энергия молекулы складывается из трех составляющих: энергии электронов, энергии колебательного движения ядер атомов и энергии вращения ядер относительно общего центра тяжести. Все эти составляющие дискретны, и их изменение имеет квантовый характер. При различных сочетаниях этих трех квантованных составляющих энергии образуется весьма большое число возможных энергетических уровней молекулы. Понятно, что и число возможных переходов из одного энергетического состояния в другое очень велико. Таким образом получаются полосатые спектры молекул, в которых каждая из полос состоит из нескольких близко расположенных линий.

В жидких и твердых телах, где частицы сильно взаимодействуют друг с другом, энергия каждой частицы включает в себя и энергию ее взаимодействия с другими частицами. Так как энергия взаимодействия частиц может иметь самые разнообразные значения, то вместо отдельных энергетических уровней образуются сплошные полосы возможных энергетических состояний. Поэтому и величина квантов излучения может быть самой различной и спектр излучения получагтся сплошным. Такой спектр имеет температурное излучение, свойства которого определяются температурой и мало зависят от структуры вещества и строения его частиц.