Vienas su kitu nesąveikaujančių atomų spinduliuotė susideda iš atskirų spektro linijų. Atsižvelgiant į tai, atomų emisijos spektras vadinamas linija.
Fig. 12.1 paveiksle parodytas gyvsidabrio garų emisijos spektras. Kitų atomų spektrai turi tą patį pobūdį.
Atominių spektrų tyrimas buvo raktas į atomų sandaros supratimą. Visų pirma buvo pastebėta, kad linijos atomų spektruose išsidėsčiusios ne atsitiktinai, o yra sujungtos į grupes arba, kaip jos vadinamos, linijų serijas. Aiškiausiai tai atsiskleidžia paprasčiausio atomo – vandenilio – spektre. Fig. 12.2 rodo dalį spektro atominis vandenilis matomoje ir artimoje ultravioletinėje srityje. Simboliai žymi matomas linijas, rodančias serijos ribą (žr. toliau). Akivaizdu, kad linijos yra tam tikra tvarka. Atstumas tarp linijų natūraliai mažėja, kai pereiname nuo daugiau ilgos bangos prie trumpesnių.
Šveicarų fizikas Balmeris (1885) atrado, kad šios vandenilio linijų serijos bangos ilgiai gali būti tiksliai pavaizduoti formule.
kur yra konstanta, yra sveikasis skaičius, kurio reikšmės yra 3, 4, 5 ir kt.
Jei pereisime nuo bangos ilgio prie dažnio (12.1), gausime formulę
kur yra konstanta, vadinama Rydbergo konstanta švedų spektroskopijos vardu. Tai lygu
Formulė (12.2) vadinama Balmerio formule, o atitinkama vandenilio atomo spektrinių linijų serija vadinama Balmerio eilute. Tolesni tyrimai parodė, kad vandenilio spektre yra dar kelios serijos. Ultravioletinėje spektro dalyje yra Lyman serija. Likusios serijos yra infraraudonųjų spindulių srityje. Šių eilučių eilutės gali būti pateiktos formulėmis, panašiomis į (12.2):
Visų vandenilio atomo spektro linijų dažniai gali būti pavaizduoti viena formule:
kur Lyman serijos vertė yra 1, Balmer serijos - 2 ir tt Kada duotas numeris paima visas sveikųjų skaičių reikšmes, pradedant išraiška (12.4), vadinama apibendrinta Balmerio formule.
Didėjant kiekvienos serijos linijos dažniui, ji linkusi į ribinę vertę, kuri vadinama serijos riba (12.2 pav. simbolis žymi Balmerio serijos ribą).
1. Atomų spektrų dėsningumai. Izoliuoti atomai išretintų dujų arba metalo garų pavidalu skleidžia spektrą, susidedantį iš atskirų spektro linijų (linijos spektro). Atominių spektrų tyrimas buvo raktas į atomų sandaros supratimą. Linijos spektruose yra išdėstytos ne atsitiktinai, o nuosekliai. Atstumas tarp eilučių serijoje natūraliai mažėja, kai pereiname nuo ilgų prie trumpų bangų.
Šveicarų fizikas J. Balmeris 1885 metais nustatė, kad vandenilio spektro matomoje dalyje serijos bangos ilgiai gali būti pavaizduoti formule (Balmerio formulė): 0 = const, n = 3, 4, 5,... R = 1,09 10 7 m -1 – Rydbergo konstanta, n = 3, 4, 5,... Fizikoje Rydbergo konstanta dar vadinama kitu dydžiu, lygiu R = R s. R = 3,29 10 15 s -1 arba
1895 - Rentgenas atrado rentgeno spindulius 1896 - radioaktyvumą atrado Becquerel 1897 - atrado elektroną (J. Thomson nustatė q/m santykio reikšmę) Išvada: atomas turi sudėtinga struktūra ir susideda iš teigiamų (protonų) ir neigiamų (elektronų) dalelių
1903 m. J. J. Thomson pasiūlė atomo modelį: vienodai užpildytą sferą teigiama elektros energija, kurio viduje yra elektronų. Bendras sferos krūvis lygus įkrovimui elektronų. Atomas kaip visuma yra neutralus. Tokio atomo teorija nurodė, kad spektras turėtų būti sudėtingas, bet jokiu būdu ne išklotas, o tai prieštarauja eksperimentams.
1899 m. jis atrado alfa ir beta spindulius. Kartu su F. Soddy 1903 m. sukūrė teoriją radioaktyvus skilimas ir nustatė radioaktyviųjų virsmų dėsnį. 1903 m. jis įrodė, kad alfa spinduliai susideda iš teigiamai įkrautų dalelių. 1908 metais jam buvo įteikta Nobelio premija. Rutherfordas Ernestas (1871–1937) anglų fizikas, branduolinės fizikos įkūrėjas. Tyrimai skirti atominėms ir branduolinė fizika, radioaktyvumas.
2. Branduolinis atomo modelis (Rutherfordo modelis). Greitis – dalelės = 10 7 m/s = 10 4 km/sek. – dalelės teigiamas krūvis lygus +2 e Rutherfordo eksperimento schema Išsklaidytos dalelės atsitrenkė į ekraną, pagamintą iš cinko sulfido, sukeldamos scintiliaciją – šviesos blyksnius.
Dauguma α dalelių buvo išsklaidytos 3° kampu. Atskiros α dalelės buvo nukreiptos dideli kampai, iki 150º (vienas iš kelių tūkstančių) Toks nuokrypis įmanomas tik sąveikaujant beveik taškiniam teigiamas krūvis– atomų branduoliai – su šalia esančia α dalele.
Maža nuokrypio tikimybė dideliais kampais rodo mažą branduolio dydį: 99,95% atomo masės sutelkta branduolyje m m
M Branduolio spindulys yra R (10 14 ÷) m ir priklauso nuo nukleonų skaičiaus branduolyje.
F F
Tačiau planetinis modelis buvo akivaizdus prieštaravimas Su klasikinė elektrodinamika: ratu judantis elektronas, t.y. Su normalus pagreitis, turėjo skleisti energiją, todėl sulėtėja ir nukrenta ant šerdies. Rutherfordo modelis negalėjo paaiškinti, kodėl atomas yra stabilus Planetinis modelis atomas
BOR Niels Hendrik David (1885–1962) danų fizikas teoretikas, vienas iš įkūrėjų šiuolaikinė fizika. Suformulavo diskretiškumo idėją energetinės būsenos atomų, pastatė atominį modelį, atrasdamas atomų stabilumo sąlygas. Jis sukūrė pirmąjį kvantinį atomo modelį, pagrįstą dviem postulatais, kurie tiesiogiai prieštarauja klasikinėms idėjoms ir dėsniams. 3. Elementarioji teorija Bora
1. Atomas turėtų būti apibūdintas kaip stacionarių energijos būsenų „piramidė“. Apsistoję viename iš stacionarios būsenos, atomas nespinduliuoja energijos. 2. Perėjimų tarp stacionarių būsenų metu atomas sugeria arba išspinduliuoja energijos kvantą. Kai energija absorbuojama, atomas pereina į aukštesnės energijos būseną.
EnEnEnEnEn E m > E n Energijos sugėrimas E n Energy Absorption"> E n Energy Absorption"> E n Energy Absorption" title="EnEnEnEnEnEn E m> E n Energijos absorbcija"> title="EnEnEnEnEn E m > E n Energijos sugėrimas"> !}
EnEnEnEnEn E m > E n Energijos emisija E n Energijos spinduliavimas"> E n Energijos spinduliavimas"> E n Energijos spinduliavimas" title="EnEnEnEnEn E m > E n Energijos spinduliavimas"> title="EnEnEnEnEn E m > E n Energijos emisija"> !}
Boro postulatai 1. Elektronai juda tik tam tikromis (stacionariomis) orbitomis. Tokiu atveju energija neišskiriama. Sąlyga stacionarioms orbitoms: iš visų elektronų orbitų galimos tik tos, kurių elektrono kampinis impulsas yra lygus sveikajam Planko konstantos kartotiniui: n = 1, 2, 3,... pagrindinis kvantinis skaičius. m e v r = nħ
2. Energijos emisija arba absorbcija energijos kvanto pavidalu h vyksta tik tada, kai elektronas pereina iš vienos stacionarios būsenos į kitą. Energija šviesos kvantas lygus energijų skirtumui tų nejudančių būsenų, tarp kurių įvyksta elektrono kvantinis šuolis: hv = E m – E n - Boro dažnio taisyklė m, n – būsenų skaičiai. EnEn EmEm Energijos sugėrimas EnEn EmEm Energijos emisija
Elektronų judėjimo lygtis =>=> Stacionarių orbitų spindulys: m e υr = nħ => Stacionariųjų orbitų spindulys: m e υr = nħ"> => Stacionariųjų orbitų spindulys: m e υr = nħ"> => Stacionariųjų orbitų spindulys: m e υr = nħ" title="Elektronų judėjimo lygtis = >=> Spindulio stacionarios orbitos: m e υr = nħ"> title="Elektronų judėjimo lygtis =>=> Stacionarių orbitų spindulys: m e υr = nħ"> !}
N, nm
Bohras teoriškai apskaičiavo protonų masės ir elektronų masės santykį m p /m e = 1847, tai atitinka eksperimentą. Visa tai buvo svarbus pagrindinių Bohro teorijos idėjų patvirtinimas. Boro teorija vaidino didžiulį vaidmenį kuriant atominė fizika. Jos kūrimosi laikotarpiu (1913-1925) svarbių atradimų, amžinai įtrauktas į pasaulio mokslo lobyną.
Tačiau kartu su Boro teorijos sėkme nuo pat pradžių buvo aptikti reikšmingi trūkumai. Vidinis nenuoseklumas teorijos: mechaninis ryšys klasikinė fizika su kvantiniais postulatais. Teorija negalėjo paaiškinti spektrinių linijų intensyvumo klausimo. Rimta nesėkmė buvo visiškas negalėjimas pritaikyti teorijos helio (He) spektrams paaiškinti (du elektronai orbitoje ir Bohro teorija negali susidoroti).
Tapo aišku, kad Boro teorija buvo tik pereinamasis etapas kelyje į bendresnę ir teisingesnę teoriją. Tokia teorija buvo kvantinė (bangų) mechanika. Tolesnė plėtra kvantinė mechanika lėmė mechaninio elektrono judėjimo branduolio lauke paveikslo atsisakymą.
4. Frank ir Hertz eksperimentas Diskretumo egzistavimas energijos lygiai atomo ir Bohro teorijos teisingumo įrodymą patvirtina Franko ir Herco eksperimentas. Vokiečių mokslininkai Jamesas Frankas ir Gustavas Hertzas už eksperimentiniai tyrimai buvo gautas energijos lygio diskretiškumas Nobelio premija 1925 metais
Tokia kreivės eiga paaiškinama tuo, kad dėl energijos lygių diskretiškumo gyvsidabrio atomai bombarduojančių elektronų energiją gali suvokti tik dalimis: arba E 1, E 2, E 3 ... - 1-osios energijos. , 2 ir kt. stacionarios būsenos. U didėjant iki 4,86V, srovė I didėja monotoniškai, kai U = 4,86V, srovė yra maksimali, tada smarkiai sumažėja ir vėl didėja. tolesni srovės maksimumai stebimi esant U = 2·4,86 V, 3·4,86 V...
Pas U 
Gyvsidabrio atomai, kurie susidūrę su elektronais gavo energijos ΔE 1 ir perėjo į sužadinimo būseną, po kurio laiko ~ s turi grįžti į pradinę būseną, išspinduliuodami, pagal antrąjį Bohro postulatą, fotoną, kurio dažnis (dažnio taisyklė): atveju šviesos kvanto bangos ilgis: - kas atitinka ultravioletinė spinduliuotė. Patirtis iš tikrųjų aptinka ultravioletinę liniją su
Patirtis rodo, kad nesąveikaujančių atomų spektrai, kaip ir retųjų dujų atveju, susideda iš atskirų linijų, sugrupuotų nuosekliai. Fig. 5.3 paveiksle pavaizduotos vandenilio atomo, esančio matomoje srityje, spektro eilės linijos. Bangos ilgis, atitinkantis šios serijos linijas, vadinamas Balmerio serija , išreiškiamas formule
kur, n = 3, 4, 5, ...; 
- Rydbergo konstanta.
Atitinkama eilutė n= 3, yra ryškiausias ir vadinamas galva , ir vertę n= ∞ atitinka eilutę, vadinamą serijos riba .
Eilė linijų buvo aptikta ir kituose spektro regionuose (ultravioletinė, infraraudonoji). Visi jie gali būti atstovaujami apibendrinta Balmerio-Rydbergo formulė
Kur m- kiekvienos serijos sveikųjų skaičių konstanta.
At m = 1; n = 2,3,4, ... - Lyman serija
. Pastebėta ultravioletinėje srityje.
At m = 2; n = 3,4,5, ... - Balmerio serija
- matomoje srityje.
At m = 3; n = 4,5,6, ... - Paschen serija
- infraraudonųjų spindulių (IR) srityje.
At m = 4; n = 5,6,7, ... - Kronšteinų serija
- taip pat IR regione ir kt.
Atominių spektrų struktūros diskretiškumas rodo, kad pačių atomų struktūra yra diskretiška. Apie vandenilio atomų spinduliuotės kvantų energiją galime rašyti tokią formulę
Rašant šią išraišką buvo naudojamos formulės (5.1), (3.21) ir (5.8). Formulė (5.9) gauta remiantis eksperimentinių duomenų analize.
Boro postulatai
Pirmąją kvantinę atomo sandaros teoriją 1913 metais pasiūlė danų fizikas Nielsas Bohras. Jis buvo pagrįstas branduolinis modelis atomas, pagal kurį atomas susideda iš teigiamai įkrauto branduolio, aplink kurį sukasi neigiamo krūvio elektronai.
Boro teorija remiasi dviem postulatais.
aš Bohro postulatas - stacionarių būsenų postulatas. Atome yra stacionarios (laikui nesikeičiančios) būsenos, kuriose jis neišskiria energijos. Šios nejudančios būsenos atitinka stacionarias orbitas, kuriomis juda elektronai. Elektronų judėjimas stacionariose orbitose nėra lydimas energijos emisijos.
II Bohro postulatas vadinama „dažnio taisykle“. Kai elektronas juda iš vienos stacionarios orbitos į kitą, išspinduliuojamas (arba sugeriamas) energijos kvantas. lygus skirtumui stacionarių būsenų energijos
Kur h- Planko konstanta; v- energijos išmetimo (arba sugerties) dažnis;
hv- spinduliuotės kvanto (arba sugerties) energija;
E n Ir E m- atomo nejudančių būsenų energija prieš ir po spinduliavimo (absorbcijos). At E m < E n išspinduliuojamas energijos kvantas ir kada E m > E n- absorbcija.
Pagal Bohro teoriją elektrono energetinė vertė vandenilio atome yra
Kur m e- elektronų masė, e- elektronų krūvis, ε e- elektros konstanta
,
h- Planko konstanta,
n- sveikasis skaičius, n = 1,2,3,...
Taigi elektrono energija atome yra diskretiškas kiekis, kuris gali pasikeisti tik staigiai.
Galimų diskrečiųjų kvantinių perėjimų dažnių rinkinys lemia atomo linijų spektrą
Paaiškėjo, kad pagal šią formulę apskaičiuoti vandenilio atomo spektrinių linijų dažniai puikiai sutapo su eksperimentiniais duomenimis. Tačiau teorija nepaaiškino kitų atomų (net helio, šalia vandenilio) spektrų. Todėl Bohro teorija buvo tik pereinamasis etapas atominių reiškinių teorijos kūrimo kelyje. Ji atkreipė dėmesį į klasikinės fizikos nepritaikomumą intraatominiams reiškiniams ir svarbiausią reikšmę. kvantiniai dėsniai mikrokosmose.
Atlikdamas eksperimentinius vandenilio emisijos spektrų tyrimus, Balmeris nustatė, kad vandenilio atomai (kaip ir kitų elementų atomai) skleidžia griežtai apibrėžto dažnio elektromagnetines bangas. Be to, paaiškėjo, kad spektrinės linijos bangos ilgio grįžtamoji vertė gali būti apskaičiuojama kaip kažkokių dviejų dydžių, kurie vadinami spektriniais terminais, skirtumas, t.y. galioja toks santykis:
Kiekybinis eksperimentiniu būdu gautų vandenilio spektrų apdorojimas parodė, kad terminus galima užrašyti taip:
Kur R yra Rydbergo konstanta, o n yra sveikasis skaičius, kuris gali turėti keletą sveikųjų skaičių reikšmių 1,2,3... Eksperimentu gauta Rydbergo konstantos vertė buvo tokia:
Atsižvelgiant į tai, kas išdėstyta pirmiau, bet kurios vandenilio spektrinės linijos bangos ilgį galima apskaičiuoti pagal apibendrinta Balmerio formulė:
kur skaičiai n 1 Ir n 2 gali imti vertes: n 1 = 1,2,3...;n 2 =n 1 ,n 1 +1,n 1 +2 …
Pagal (15) formulę apskaičiuoti bangų ilgiai labai tiksliai sutapo su eksperimentiškai išmatuotais vandenilio emisijos spektro bangų ilgiais.
Palyginus (11) ir (15) formules, galime daryti išvadą, kad (11) formulė yra ta pati apibendrinta Balmerio formulė, tik gauta teoriškai. Todėl Rydbergo konstantos reikšmę galima apskaičiuoti naudojant formulę:
Skaičiai n 1 ,n 2 -Štai kvantiniai skaičiai, tai yra stacionarių orbitų, tarp kurių įvyksta kvantinis elektrono šuolis, skaičius. Jei eksperimentiškai išmatuosite Rydbergo konstantos reikšmę, tada naudodami ryšį (16) galėsite apskaičiuoti Plancko konstantą h.
3. Darbo atlikimo būdas
3.1. Darbo formulės
Emisijos spektras yra svarbi medžiagos savybė, leidžianti nustatyti jos sudėtį, kai kurias jos struktūros ypatybes, atomų ir molekulių savybes.
Atominės būsenos dujos išskiria linijinius spektrus, kuriuos galima suskirstyti į spektrinės serijos.Spektrinė eilutė yra spektro linijų, kurių kvantinis skaičius n 1 (lygio, į kurį atliekami perėjimai iš visų aukštesnių lygių, skaičius) turi ta pati vertė. Paprasčiausias spektras yra vandenilio atomo spektras. Jo spektrinių linijų bangos ilgiai nustatomi pagal Balmerio formulę (15) arba (11).
Kiekviena vandenilio atomo spektro serija turi savo specifinę vertę. n 1 . Vertybės n 2 reiškia nuoseklią sveikųjų skaičių seką iš n 1 +1 iki ∞. Skaičius n 1 reiškia atomo energijos lygio skaičių, į kurį elektronas pereina po spinduliavimo; n 2 - lygio, iš kurio elektronas praeina, kai atomas skleidžia elektromagnetinę energiją, skaičius.
Pagal formulę (15 ), Vandenilio emisijos spektrą galima pavaizduoti šios serijos forma (žr. 2 pav.):
Lyman serija(n 1 =1) – ultravioletinė spektro dalis:
Balmerio serija (n 1 = 2) - matoma dalis spektras:
2 pav. Vandenilio atomo spektro eilė
a) energijos diagrama, b) perėjimo diagrama, c) bangos ilgio skalė.
Paschen serija (n 1 = 3) - infraraudonųjų spindulių spektro dalis:
Kronšteinų serija(n 1 = 4) – infraraudonoji spektro dalis:
Pfund serija (n 1 = 5) – infraraudonoji spektro dalis:
Šiame darbe nagrinėjame pirmąsias keturias Balmer serijos eilutes, atitinkančias perėjimus į lygį n 1 = 2. Didumas n 2 pirmajam keturios eilutėsšios serijos, esančios matomoje srityje, įgauna reikšmes 3, 4, 5, 6. Šios eilutės turi šiuos pavadinimus:
H α - raudona linija ( n 2 = 3),
H β - žalia-mėlyna ( n 2 = 4),
H ν - mėlyna ( n 2 = 5),
H δ - violetinė ( n 2 = 6).
Eksperimentinis Rydbergo konstantos nustatymas naudojant Balmerio eilutes gali būti atliktas naudojant formulę, gautą remiantis (15):
Planko konstantos apskaičiavimo išraišką galima gauti transformuojant (16) formulę:
Kur m = 9.1 · 10 -31 kg,e - 1.6 · 10 -19 Kl,C - 3 · 10 8 m/s,ε 0 =8.8 · 10 -12 f/m.
Atomo linijinis spektras yra rinkinys didelis skaičius linijos, išsibarsčiusios visame spektre be jokios akivaizdžios tvarkos. Tačiau kruopštus spektrų tyrimas parodė, kad linijų išdėstymas atitinka tam tikrus modelius. Žinoma, šie modeliai aiškiausiai pasirodo palyginti paprastuose spektruose, būdinguose paprastiems atomams. Pirmą kartą toks modelis buvo nustatytas vandenilio spektrui, parodytam Fig. 326.
Ryžiai. 326. Linijų spektras vandenilis (Balmer serija, bangos ilgiai nanometrais). ir - pirmųjų keturių serijos eilučių, esančių matomoje spektro srityje, žymėjimai
1885 metais šveicarų fizikas ir matematikas Johanas Jakobas Balmeris (1825-1898) nustatė, kad atskirų vandenilio linijų dažniai išreiškiami paprasta formule:
,
kur žymi šviesos dažnį, t. y. bangų, skleidžiamų per laiko vienetą, skaičių, vertė, vadinama Rydbergo konstanta, lygi 
ir yra sveikasis skaičius. Jei nustatysite reikšmes į 3, 4, 5 ir tt, gausite vertes, kurios labai gerai atitinka nuoseklių vandenilio spektro linijų dažnius. Šių eilučių kolekcija sudaro Balmer seriją.
Vėliau buvo nustatyta, kad vandenilio spektre vis dar yra daug spektrines linijas, kurios taip pat sudaro panašias į Balmer serijas.
Šių linijų dažniai gali būti pavaizduoti formulėmis
, kur (Lyman serija),
, kur (Paschen serija),
ir turi tą patį skaitinė reikšmė, kaip ir Balmerio formulėje. Taigi visas vandenilio serijas galima derinti pagal vieną formulę:
kur ir yra sveikieji skaičiai, .
Kitų atomų spektrai yra daug sudėtingesni, o jų linijų pasiskirstymas serijoje nėra toks paprastas. Tačiau paaiškėjo, kad visų atomų spektrinės linijos gali būti paskirstytos nuosekliai. Nepaprastai svarbu, kad serijiniai modeliai visiems atomams gali būti pateikta forma, panašia į Balmerio formulę, o konstanta turi beveik tą pačią reikšmę visiems atomams.
Visiems atomams bendrų spektrinių modelių egzistavimas neabejotinai rodė gilų ryšį tarp šių modelių ir pagrindinių atominės struktūros ypatybių. Iš tiesų, danų fizikas, kūrėjas kvantinė teorija atomas Nielsas Bohras (1885-1962) 1913 m. rado raktą suprasti šiuos dėsnius, kartu nustatydamas pamatus. šiuolaikinė teorija atomas (žr. XXII skyrių).
