1.3 Оптические спектры излучения

Излучение невзаимодействующих друг с другом атомов (например, в газе) состоит из отдельных линий. В соответствие с этим, спектр

испускания атомов называется линейчатым. Было замечено, что линии в спектрах расположены не беспорядочно, а объединяются в группы, которые

называются сериями. Расстояние между линиями убывает с ростом частоты ν: Н_α – головная линия серии. Н_∞ – коротковолновая граница. К ней примыкает непрерывный спектр.

Ридберг, исследуя спектры, пришел к выводу, что частоты всех линий серии удовлетворяют соотношению ν = Т(m) – Т(n), где m – фиксированное число, определяющее серию, n = m+1, …,∞. Т.е. частота любой линии может быть представлена в виде разности 2 чисел этого ряда – спектральные термы. То же наблюдается и в других атомах.

Бальмер установил, что для серии в видимой области у водорода Т(n)=R/n², Т(m)= 1/2² n=3,4,5, … ν=R(1/2² - 1/n²) – формула Бальмера (испускаемая атомом при перескоке его электрона с 3, 4, 5 и т. д. орбит на вторую).

R — постоянная Ридберга, равная 3,290•10¹⁵ Гц. Иногда эту формулу записывают через спектроскопическое волновое число:

1/λ=R’(1/m ² - 1/n²) , R’= 1,097•10⁵ см^-1

ω =R”(1/m ² - 1/n²), R”= 2,07•10¹⁶ рад/с.

Серия Лаймана – расположена в ультрафиолетовой части спектра и образуется при переходах электрона с удаленных орбит на первую. Когда m = 3 и n = 4, 5, 6, ..., получается еще одна серия — Пашена, расположенная в инфракрасной части спектра.

Для того чтобы произошло излучение, атом должен получить порцию энергии извне, электрон поднимается на более высокую орбиту, атом переходит на более высокий уровень энергии; возвращаясь в нормальное состояние, атом излучает фотон.

В общем случае для водородоподобных атомов формула имеет вид:

ν=RZ²(1/ m ² - 1/ n²) , где Z - атомный номер.

1.4 Характеристические рентгеновские лучи. Закон Мозли

Характеристическое рентгеновское излучение получается, если подвергнуть вещество бомбардировке быстрыми электронами, α-частицами, протонами, а также при облучении вещества достаточно короткими рентгеновскими лучами.

Характеристические рентгеновские спектры различных элементов имеют однотипную структуру и состоят из нескольких серий, обозначаемых буквами К, L, М, N и т. д. Каждая серия включает много линий, обозначаемых соответственно К_α, К_β, ... или L_α, L_β, ... и т. д.

Частоты, соответствующие линиям характеристических рентгеновских лучей, в десятки тысяч раз превосходят частоты видимого спектра, следовательно испускание атомом характеристических рентгеновских лучей сопровождается большими изменениями энергетического состояния атома. Мозли установил, что частоты характеристического излучения какой-либо серии возрастают вместе с увеличением порядкового номера элемента:

ν = A(Z—b)² – закон Мозли √ν = √A(Z—b) А, b =константы

Закон Мозли можно сформулировать так: квадратный корень из частот характеристического излучения есть линейная функция от порядкового номера элемента. Опираясь на представления Бора о механизме оптического излучения атома, Мозли показал, что константа А = R (1/n₁² - 1/n₂²). Формула для частот рентгеновских лучей: ν=R(Z—b)²(1/n₁² - 1/n₂²)

Она отличается от спектральной формулы Бора для водородного атома или водородоподобного иона лишь тем, что число, характеризующее полный заряд ядра (Z), в ней уменьшено на постоянную величину, одинаковую в пределах серии для всех атомов системы Менделеева. Появление b - постоянной экранирования, объясняется тем, что в тяжелых атомах электростатическое притяжение электрона к ядру несколько уменьшается в связи с наличием электронов, находящихся на остальных орбитах.

Исследование рентгеновских спектров позволило построить следующую структуру электронной оболочки атомов. Внутри атома электроны делятся на группы, составляющие оболочки. Первая ближайшая к ядру оболочка называется К-оболочкой, следующая за ней L -оболочка, третья М-оболочка и т. д. Чем больше порядковый номер элемента, тем большее число электронов входит в состав его атома и тем большее число заполненных оболочек содержится в этом атоме. Оставшиеся во внешних оболочках

Возникновение характеристических рентгеновских лучей

электроны образуют группу оптических или валентных электронов — самую наружную. Эти электроны при переходах дают весь оптический спектр; они же определяют и химическую валентность. Характеристическое же рентгеновское излучение обусловлено перемещением электронов во внутренних оболочках.Перескок L → К (hν = Е_L-Е_К) соответствует излучению самой мягкой линии серии К, называемой К_α), перескок М → К соответствует линии К_β и т.д. Обычно в излучении принимают участие множество атомов: некоторые из них излучают одну линию, другие — другую, следовательно, появляется сразу вся К-серия.

Таким образом, в рентгеновских спектрах (в отличие от оптических спектров) серия или возникает вся сразу, или не возникает вовсе.