Birbirleriyle etkileşime girmeyen atomların radyasyonu bireysel spektral çizgilerden oluşur. Buna uygun olarak atomların emisyon spektrumuna çizgi denir.
Şek. Şekil 12.1 cıva buharının emisyon spektrumunu göstermektedir. Diğer atomların spektrumları aynı karaktere sahiptir.
Atomik spektrumların incelenmesi atomların yapısını anlamanın anahtarı oldu. Her şeyden önce, atom spektrumundaki çizgilerin rastgele konumlandırılmadığı, gruplar halinde veya adlandırıldığı gibi çizgi dizileri halinde birleştirildiği fark edildi. Bu en açık şekilde en basit atom olan hidrojenin spektrumunda ortaya çıkar. Şek. 12.2 spektrumun bir kısmını gösterir atomik hidrojen görünür ve yakın ultraviyole bölgede. Semboller, serinin sınırını gösteren görünür çizgileri gösterir (aşağıya bakınız). Çizgilerin bulunduğu açıktır. belli bir sırayla. Daha fazla noktadan uzaklaştıkça çizgiler arasındaki mesafe doğal olarak azalır. uzun dalgalar daha kısa olanlara.
İsviçreli fizikçi Balmer (1885), bu hidrojen çizgileri serisinin dalga boylarının aşağıdaki formülle doğru bir şekilde temsil edilebileceğini keşfetti.
burada sabit, 3, 4, 5 vb. değerlerini alan bir tamsayıdır.
(12.1)'de dalga boyundan frekansa gidersek, formülü elde ederiz.
burada İsveçli spektroskopistin anısına Rydberg sabiti adı verilen bir sabit var. Eşittir
Formül (12.2)'ye Balmer formülü denir ve hidrojen atomunun karşılık gelen spektral çizgi serisine Balmer serisi denir. Daha ileri çalışmalar, hidrojen spektrumunda birkaç serinin daha olduğunu gösterdi. Spektrumun ultraviyole kısmında Lyman serisi bulunur. Geri kalan seriler kızılötesi bölgede yer almaktadır. Bu serilerin çizgileri (12.2)'ye benzer formüller şeklinde sunulabilir:
Bir hidrojen atomunun spektrumundaki tüm çizgilerin frekansları tek bir formülle temsil edilebilir:
Lyman serisi için değer 1, Balmer serisi için 2 vb. olduğunda. verilen numaraİfade (12.4) ile başlayan tüm tam sayı değerlerini alan genelleştirilmiş Balmer formülü denir.
Her serideki çizginin frekansı arttıkça seri sınırı adı verilen sınırlayıcı bir değere doğru eğilim gösterir (Şekil 12.2'de sembol Balmer serisinin sınırını işaret eder).
1. Atomik spektrumlardaki düzenlilikler. Seyreltilmiş bir gaz veya metal buharı formundaki izole edilmiş atomlar, ayrı spektral çizgilerden (çizgi spektrumu) oluşan bir spektrum yayar. Atomik spektrumların incelenmesi atomların yapısını anlamanın anahtarı oldu. Spektrumdaki çizgiler rastgele değil seri halinde yerleştirilmiştir. Uzun dalgalardan kısa dalgalara doğru ilerledikçe serideki çizgiler arasındaki mesafe doğal olarak azalır.
İsviçreli fizikçi J. Balmer, 1885 yılında hidrojen spektrumunun görünür kısmındaki serinin dalga boylarının aşağıdaki formülle (Balmer formülü) temsil edilebileceğini tespit etti: 0 = sabit, n = 3, 4, 5,... R = 1,09 10 7 m -1 – Rydberg sabiti, n = 3, 4, 5,... Fizikte Rydberg sabitine R = R s'ye eşit başka bir nicelik de denir. R = 3,29 10 15 sn -1 veya
1895 - Roentgen tarafından X ışınlarının keşfi 1896 - Becquerel tarafından radyoaktivitenin keşfi 1897 - Elektronun keşfi (J. Thomson q/m oranının değerini belirledi) Sonuç: Atomun karmaşık yapı pozitif (proton) ve negatif (elektron) parçacıklardan oluşur
1903'te J. J. Thomson bir atom modeli önerdi: eşit şekilde doldurulmuş bir küre pozitif elektrik, içinde elektronların bulunduğu. Kürenin toplam yükü şarja eşit elektronlar. Atom bir bütün olarak nötrdür. Böyle bir atomun teorisi, spektrumun karmaşık olması gerektiğini, ancak hiçbir şekilde çizgili olmaması gerektiğini gösterdi; bu da deneylerle çelişiyordu.
1899'da alfa ve beta ışınlarını keşfetti. 1903 yılında F. Soddy ile birlikte bir teori geliştirdi. radyoaktif bozunma ve radyoaktif dönüşümler yasasını oluşturdu. 1903 yılında alfa ışınlarının pozitif yüklü parçacıklardan oluştuğunu kanıtladı. 1908'de Nobel Ödülü'ne layık görüldü. Rutherford Ernest (1871–1937) İngiliz fizikçi, nükleer fiziğin kurucusu. Araştırma atomik ve nükleer fizik, radyoaktivite.
2. Atomun nükleer modeli (Rutherford modeli). Hız – parçacıklar = 10 7 m/s = 10 4 km/sn. – parçacık +2 e'ye eşit bir pozitif yüke sahiptir. Rutherford deneyinin şeması Dağınık parçacıklar çinko sülfürden yapılmış bir ekrana çarparak parıldamaya, yani ışık parlamalarına neden olur.
Çoğu a-parçacığı 3° mertebesinde açılarla dağılmıştı. Bireysel α-parçacıkları şu şekilde saptırıldı: geniş açılar, 150°'ye kadar (birkaç binde bir) Böyle bir sapma ancak neredeyse nokta benzeri bir yapının etkileşimi yoluyla mümkündür. pozitif yük– atom çekirdeği – yakındaki bir α parçacığı ile.
Büyük açılarda sapma olasılığının düşük olması çekirdeğin küçüklüğünü gösterir: Atom kütlesinin %99,95'i çekirdekte yoğunlaşmıştır m m
M Çekirdeğin yarıçapı R (10 14 ÷) m'dir ve çekirdekteki nükleon sayısına bağlıdır.
F F
Ancak gezegen modeli bariz çelişkiİle klasik elektrodinamik: bir daire içinde hareket eden bir elektron, yani. İle normal hızlanma, enerji yaymalı, bu nedenle yavaşlayıp çekirdeğe düşmeliydi. Rutherford'un modeli atomun neden kararlı olduğunu açıklayamadı Gezegen modeli atom
BOR Niels Hendrik David (1885–1962) Danimarkalı teorik fizikçi, kuruculardan biri modern fizik. Ayrıklık fikrini formüle etti enerji durumları atomlar, atomların stabilitesi için koşulları keşfederek bir atom modeli oluşturdular. Klasik fikir ve yasalarla doğrudan çelişen iki varsayıma dayanarak atomun ilk kuantum modelini yarattı. 3. Temel teori Bora
1. Atom, durağan enerji durumlarından oluşan bir “piramit” olarak tanımlanmalıdır. Birinde kalmak durağan durumlar atom enerji yaymaz. 2. Durağan durumlar arasındaki geçişler sırasında, bir atom bir enerji kuantumunu emer veya yayar. Enerji emildiğinde atom daha yüksek bir enerji durumuna geçer.
EnEnEnEnEn E m > E n Enerji emilimi E n Enerji Emilimi"> E n Enerji Emilimi"> E n Enerji Emilimi" title="EnEnEnEnEnEn E m> E n Enerji Emilimi"> title="EnEnEnEnEn E m > E n Enerji emilimi"> !}
EnEnEnEnEn E m > E n Enerji emisyonu E n Enerji radyasyonu"> E n Enerji radyasyonu"> E n Enerji radyasyonu" title="EnEnEnEnEn E m > E n Enerji radyasyonu"> title="EnEnEnEnEn E m > E n Enerji emisyonu"> !}
Bohr'un varsayımları 1. Elektronlar yalnızca belirli (sabit) yörüngelerde hareket ederler. Bu durumda herhangi bir enerji yayılmaz. Sabit yörüngeler için koşul: tüm elektron yörüngeleri arasında yalnızca elektronun açısal momentumu Planck sabitinin tam katlarına eşit olan yörüngeler mümkündür: n = 1, 2, 3,... ana kuantum sayısı. m e v r = nħ
2. Enerji kuantumu h biçiminde enerjinin yayılması veya emilmesi, yalnızca bir elektronun bir durağan durumdan diğerine geçiş yapması durumunda meydana gelir. Enerji ışık kuantumu aralarında elektronun kuantum sıçramasının meydana geldiği durağan durumların enerjileri farkına eşittir: hv = E m – E n - Bohr'un frekans kuralı m, n – durum sayıları. EnEn EmEm Enerji emilimi EnEn EmEm Enerji emisyonu
Elektron hareketinin denklemi =>=> Sabit yörüngelerin yarıçapı: m e υr = nħ => Sabit yörüngelerin yarıçapı: m e υr = nħ"> => Sabit yörüngelerin yarıçapı: m e υr = nħ"> => Sabit yörüngelerin yarıçapı: m e υr = nħ" title="Elektron hareketinin denklemi = >=> Sabit yörüngelerin yarıçapı: m e υr = nħ"> title="Elektron hareketi denklemi =>=> Sabit yörüngelerin yarıçapı: m e υr = nħ"> !}
N, nm
Bohr teorik olarak proton kütlesinin elektron kütlesine oranını m p/m e = 1847 olarak hesapladı; bu deneyle uyumludur. Bütün bunlar Bohr'un teorisinin içerdiği temel fikirlerin önemli bir doğrulamasıydı. Bohr'un teorisi yaratılışta büyük rol oynadı atom fiziği. Gelişim döneminde (1913 - 1925) önemli keşifler, sonsuza kadar dünya biliminin hazinesine dahil edildi.
Ancak Bohr'un teorisindeki başarıların yanı sıra, daha başlangıçtan itibaren önemli eksiklikler de keşfedildi. İç tutarsızlık teoriler: mekanik bağlantı klasik fizik kuantum varsayımlarıyla. Teori, spektral çizgilerin yoğunlukları sorununu açıklayamadı. Ciddi bir başarısızlık, helyum (He) spektrumunu (yörüngede iki elektron ve Bohr'un teorisi başa çıkamaz) açıklamak için teorinin uygulanmasının mutlak imkansızlığıydı.
Bohr'un teorisinin daha genel ve doğru bir teori yaratma yolunda yalnızca bir geçiş aşaması olduğu ortaya çıktı. Böyle bir teori kuantum (dalga) mekaniğiydi. Daha fazla gelişme kuantum mekaniği Bir elektronun çekirdeğin alanındaki hareketinin mekanik resminin terk edilmesine yol açtı.
4. Frank ve Hertz deneyi Ayrıklığın varlığı enerji seviyeleri atom ve Bohr'un teorisinin doğruluğunun kanıtı Frank ve Hertz'in deneyi ile doğrulandı. Alman bilim adamları James Frank ve Gustav Hertz deneysel çalışmalar Enerji seviyesinin ayrıklığı elde edildi Nobel Ödülü 1925'te
Eğrinin bu seyri, enerji seviyelerinin ayrıklığı nedeniyle cıva atomlarının bombardıman elektronlarının enerjisini yalnızca kısımlar halinde algılayabilmesiyle açıklanmaktadır: ya E 1, E 2, E 3 ... - 1. enerjiler , 2. vb. durağan durumlar. U 4,86V'a yükseldikçe I akımı monoton olarak artar; U = 4,86V'de akım maksimumdur, sonra keskin bir şekilde azalır ve tekrar artar. U = 2·4,86 V, 3·4,86 V...'de daha fazla akım maksimumu gözlemlenir.
U'da 
Elektronlarla çarpışması üzerine ΔE 1 enerjisi alan ve uyarılmış duruma geçen cıva atomları, ~s süre sonra temel duruma geri dönmek zorunda kalır ve Bohr'un ikinci varsayımına göre frekanslı bir foton (frekans kuralı) yayar: Bu durumda durumda, ışık kuantumunun dalga boyu: - karşılık gelen şey ultraviyole radyasyon. Deneyim aslında ultraviyole çizgiyi tespit ediyor
Deneyimler, etkileşime girmeyen atomların spektrumlarının, seyreltilmiş gazlarda olduğu gibi, seri halinde gruplandırılmış ayrı çizgilerden oluştuğunu göstermektedir. Şek. Şekil 5.3 görünür bölgede bulunan hidrojen atomunun spektrumunun seri çizgilerini göstermektedir. Bu serideki çizgilere karşılık gelen dalga boyuna denir. Balmer serisi , formülle ifade edilir
Nerede, N = 3, 4, 5, ...; 
- Rydberg sabiti.
Karşılık gelen satır N= 3 en parlak olanıdır ve denir KAFA ve değer N= ∞ adı verilen bir çizgiye karşılık gelir serinin sınırı .
Spektrumun diğer bölgelerinde de (ultraviyole, kızılötesi) bir dizi çizgi keşfedildi. Hepsi temsil edilebilir genelleştirilmiş Balmer-Rydberg formülü
Nerede M- her seri için bir tamsayı sabiti.
Şu tarihte: M = 1; N = 2,3,4, ... - Lyman serisi
. Ultraviyole bölgede gözlendi.
Şu tarihte: M = 2; N = 3,4,5, ... - Balmer serisi
- görünür bölgede.
Şu tarihte: M = 3; N = 4,5,6, ... - Paschen serisi
- kızılötesi (IR) bölgede.
Şu tarihte: M = 4; N = 5,6,7, ... - Braket serisi
- ayrıca IR bölgesinde vb.
Atomik spektrumun yapısındaki ayrıklık, atomların kendi yapısında da ayrıklığın varlığını gösterir. Hidrojen atomlarının radyasyon kuantumunun enerjisi için şunu yazabiliriz: aşağıdaki formül
Bu ifadeyi yazarken (5.1), (3.21) ve (5.8) formülleri kullanıldı. Formül (5.9) deneysel verilerin analizine dayanarak elde edildi.
Bohr'un varsayımları
Atomun yapısına ilişkin ilk kuantum teorisi 1913'te Danimarkalı fizikçi Niels Bohr tarafından önerildi. Buna dayanıyordu nükleer model atom, buna göre bir atom, etrafında negatif yüklü elektronların döndüğü pozitif yüklü bir çekirdekten oluşur.
Bohr'un teorisi iki varsayıma dayanmaktadır.
BEN Bohr'un varsayımı - durağan durumların varsayımı. Bir atomda enerji yaymadığı durağan (zamanla değişmeyen) durumlar vardır. Bu durağan durumlar, elektronların hareket ettiği sabit yörüngelere karşılık gelir. Elektronların sabit yörüngelerdeki hareketine enerji emisyonu eşlik etmez.
II Bohr'un varsayımı "frekans kuralı" denir. Bir elektron sabit bir yörüngeden diğerine hareket ettiğinde, bir miktar enerji yayılır (veya emilir) farka eşit durağan durumların enerjileri
Nerede H- Planck sabiti; v- enerji emisyonunun (veya emiliminin) sıklığı;
hv- bir miktar radyasyonun enerjisi (veya emilimi);
E n Ve E m- sırasıyla radyasyondan (absorbsiyon) önce ve sonra atomun durağan durumlarının enerjileri. Şu tarihte: E m < E n bir miktar enerji yayılır ve E m > E n- emilim.
Bohr'un teorisine göre hidrojen atomundaki bir elektronun enerji değeri şuna eşittir:
Nerede Ben- elektron kütlesi, e- elektron yükü, e e- elektriksel sabit
,
H- Planck sabiti,
N- tamsayı, n = 1,2,3,...
Böylece atomdaki elektronun enerjisi ayrık miktar bu ancak aniden değişebilir.
Kuantum geçişlerinin olası ayrık frekansları kümesi, bir atomun çizgi spektrumunu belirler
Bu formül kullanılarak hesaplanan hidrojen atomu için spektral çizgilerin frekanslarının deneysel verilerle mükemmel bir uyum içinde olduğu ortaya çıktı. Ancak teori diğer atomların (hatta hidrojenin yanındaki helyumun) spektrumlarını açıklamıyordu. Bu nedenle Bohr'un teorisi, atomik olaylar teorisini oluşturma yolunda yalnızca bir geçiş aşamasıydı. Klasik fiziğin atom içi olaylara uygulanamayacağına ve atom içi olaylara büyük öneme sahip olduğuna dikkat çekti. kuantum yasaları bir mikrokozmosta.
Hidrojenin emisyon spektrumları üzerine deneysel çalışmalar yürüten Balmer, hidrojen atomlarının (diğer elementlerin atomları gibi) kesin olarak tanımlanmış frekanslarda elektromanyetik dalgalar yaydığını buldu. Dahası, spektral çizginin dalga boyunun tersinin, spektral terimler olarak adlandırılan iki miktarın farkı olarak hesaplanabileceği ortaya çıktı; aşağıdaki oran geçerlidir:
Deneysel olarak elde edilen hidrojen spektrumlarının kantitatif işlenmesi, terimlerin aşağıdaki gibi yazılabileceğini gösterdi:
Nerede R Rydberg sabitidir ve n, 1,2,3 sayıda tam sayı değeri alabilen bir tam sayıdır... Deneysel olarak elde edilen Rydberg sabitinin değeri şöyledir:
Yukarıdakiler dikkate alınarak, hidrojenin herhangi bir spektral çizgisinin dalga boyu şu şekilde hesaplanabilir: genelleştirilmiş Balmer formülü:
sayılar nerede N 1 Ve N 2 değerleri alabilir: N 1 = 1,2,3...;N 2 =N 1 ,N 1 +1,N 1 +2 …
Formül (15) kullanılarak hesaplanan dalga boyları, hidrojen emisyon spektrumunda deneysel olarak ölçülen dalga boylarıyla çok doğru bir şekilde örtüşüyordu.
Formül (11) ve (15)'i karşılaştırarak, formül (11)'in aynı genelleştirilmiş Balmer formülü olduğu ancak teorik olarak elde edildiği sonucuna varabiliriz. Bu nedenle Rydberg sabitinin değeri aşağıdaki formül kullanılarak hesaplanabilir:
Sayılar N 1 ,N 2 -Bu kuantum sayıları bunlar arasında elektronun kuantum sıçramasının meydana geldiği sabit yörüngelerin sayısıdır. Rydberg sabitinin değerini deneysel olarak ölçerseniz, (16) ilişkisini kullanarak Planck sabitini hesaplayabilirsiniz. H.
3. İşin gerçekleştirilme yöntemi
3.1. Çalışma formülleri
Emisyon spektrumu Bir maddenin bileşimini, yapısının bazı özelliklerini, atom ve moleküllerin özelliklerini belirlemeyi mümkün kılan önemli bir özelliğidir.
Atom halindeki gazlar, bölünebilen çizgi spektrumları yayar. spektral seri Bir spektral seri, kuantum sayısının geçerli olduğu bir spektral çizgiler dizisidir. N 1 (tüm yüksek seviyelerden geçişlerin yapıldığı seviye sayısı) aynı değer. En basit spektrum hidrojen atomunun spektrumudur. Spektral çizgilerinin dalga boyları Balmer formülü (15) veya (11) ile belirlenir.
Bir hidrojen atomunun spektrumunun her serisinin kendine özgü bir değeri vardır. N 1 . Değerler N 2 ardışık bir tam sayı serisini temsil eder N 1 +1 ila ∞. Sayı N 1 elektronun radyasyondan sonra geçiş yaptığı atomun enerji seviyesinin sayısını temsil eder; N 2 - Bir atom elektromanyetik enerji yaydığında elektronun geçtiği seviyenin sayısı.
Formüle göre (15 ), Hidrojen emisyon spektrumu aşağıdaki seri formunda temsil edilebilir (bkz. Şekil 2):
Lyman serisi(N 1 =1) – spektrumun ultraviyole kısmı:
Balmer serisi (N 1 = 2) - görünen kısım spektrum:
Şekil 2. Hidrojen atomunun spektrum serisi
a) enerji diyagramı, b) geçiş diyagramı, c) dalga boyu ölçeği.
Paschen serisi (N 1 = 3) - spektrumun kızılötesi kısmı:
Braket Serisi(N 1 = 4) - spektrumun kızılötesi kısmı:
Pfund serisi (N 1 = 5) - spektrumun kızılötesi kısmı:
Bu yazıda Balmer serisinin seviye geçişlerine karşılık gelen ilk dört satırını inceliyoruz. N 1 = 2. Büyüklük N 2 ilki için dört satır görünür bölgede yer alan bu serinin 3, 4, 5, 6 değerlerini alır. Bu çizgiler aşağıdaki tanımlamalara sahiptir:
H α - kırmızı çizgi ( N 2 = 3),
H β - yeşil-mavi ( N 2 = 4),
H ν - mavi( N 2 = 5),
H δ - mor ( N 2 = 6).
Rydberg sabitinin Balmer serisinin çizgileri kullanılarak deneysel olarak belirlenmesi, (15) esas alınarak elde edilen formül kullanılarak gerçekleştirilebilir:
Planck sabitini hesaplamak için kullanılan ifade, formül (16)'nın dönüştürülmesiyle elde edilebilir:
Nerede M = 9.1 · 10 -31 kilogram,e - 1.6 · 10 -19 KI,C - 3 · 10 8 m/sn,ε 0 =8.8 · 10 -12 f/m.
Bir atomun çizgi spektrumu bir koleksiyondur büyük sayıçizgiler, görünürde herhangi bir düzen olmaksızın spektrum boyunca dağılmıştır. Bununla birlikte, spektrumların dikkatli bir şekilde incelenmesi, çizgilerin düzeninin belirli kalıpları takip ettiğini gösterdi. Bu modeller, elbette, basit atomların karakteristik özelliği olan nispeten basit spektrumlarda en açık şekilde ortaya çıkar. İlk kez, Şekil 2'de gösterilen hidrojenin spektrumu için böyle bir model oluşturuldu. 326.
Pirinç. 326. Çizgi spektrumu hidrojen (Balmer serisi, nanometre cinsinden dalga boyları). ve - spektrumun görünür bölgesinde yer alan serinin ilk dört çizgisinin gösterimleri
1885 yılında İsviçreli fizikçi ve matematikçi Johann Jakob Balmer (1825-1898), bireysel hidrojen çizgilerinin frekanslarının basit bir formülle ifade edildiğini tespit etti:
,
burada ışığın frekansını, yani birim zaman başına yayılan dalga sayısını belirtir; Rydberg sabiti adı verilen, şuna eşit bir değer: 
ve bir tamsayıdır. Değerleri 3, 4, 5 vb. olarak ayarlarsanız hidrojen spektrumundaki ardışık çizgilerin frekanslarıyla çok iyi eşleşen değerler elde edersiniz. Bu çizgilerin birleşimi Balmer serisini oluşturuyor.
Daha sonra hidrojen spektrumunun hala çok sayıda madde içerdiği keşfedildi. spektral çizgiler Balmer'inkine benzer diziler de oluşturuyor.
Bu çizgilerin frekansları formüllerle temsil edilebilir.
, nerede (Lyman serisi),
, nerede (Paschen serisi),
ve onda da aynı şey var sayısal değer Balmer'in formülünde olduğu gibi. Böylece tüm hidrojen serileri tek bir formülle birleştirilebilir:
nerede ve tamsayılardır, .
Diğer atomların spektrumları çok daha karmaşıktır ve çizgilerinin bir serideki dağılımı o kadar basit değildir. Ancak tüm atomların spektral çizgilerinin bir seri halinde dağılabileceği ortaya çıktı. Bu son derece önemlidir seri desenlerçünkü tüm atomlar Balmer formülüne benzer bir biçimde sunulabilir; sabit, tüm atomlar için hemen hemen aynı değere sahiptir.
Tüm atomlarda ortak olan spektral desenlerin varlığı, şüphesiz bu desenler ile atom yapısının temel özellikleri arasında derin bir bağlantı olduğunu gösteriyordu. Gerçekten de Danimarkalı fizikçi, yaratıcı kuantum teorisi atom Niels Bohr (1885-1962) 1913'te bu yasaları anlamanın anahtarını buldu ve aynı zamanda temelleri de attı. modern teori atom (bkz. Bölüm XXII).
