В

Открытие характеристического рентгеновского излучения

1908 году Чарльзом Гловером Баркла было открыто рентгеновское излучение с линейчатым спектром. Это излучение однозначно характеризовало вещество антикатода точно так же, как оптический спектр газа был характерен для излучающего вещества, поэтому оно получило название характеристического. Спектральные линии характеристического рентгеновского излучения образовывали серии в различных областях рентгеновского спектра. Примечательным оказалось то, что каждый элемент давал присущий ему спектр независимо от того, находился ли он в свободном состоянии или входил в состав химического соединения.

Нильс Бор включил рассмотрение рентгеновских спектров в число первоочередных задач квантовой теории атома, считая, что «характеристическое рентгеновское излучение испускается при возвращении системы в нормальное состояние, если каким-либо воздействием, например, катодными лучами, были предварительно удалены электроны внутренних колец».

Волновой характер рентгеновского излучения был установлен Лауэ, Фридрихом и Книппингом. В 1912 году Лауэ догадался использовать кристаллы в качестве дифрагирующей системы для рентгеновского излучения. Эксперименты, выполненные по его предложению Фридрихом и Книппингом, подтвердили предположение Лауэ. Сразу же после этих экспериментов Лауэ построил теорию интерференции рентгеновских лучей на кристаллах. Опытами Лауэ, Фридриха и Книппинга была подтверждена электромагнитная природа рентгеновских лучей и установлено их место на шкале электромагнитного излучения, а также доказана периодическая атомная структура кристаллов. Однако теория, построенная Лауэ, не позволяла определять длины волн рентгеновского излучения, т.к. параметры структуры кристаллов не были точно известны.

Основы рентгеноструктурного анализа были разработаны Уильямом Генри Брэггом и его сыном Уильямом Лоуренсом Брэггом. Они обнаружили, что при отражении рентгеновских лучей от поверхности кристалла интерференционные максимумы появляются при углах скольжения , удовлетворяющих условию

,

где d – межплоскостное расстояние, n – целое число. Аналогичное соотношение было получено российским физиком Вульфом. Развитый отцом и сыном Брэггами метод дал возможность, анализируя отражение монохроматического рентгеновского излучения от различных атомных плоскостей в кристаллической решетке, определять длину волны рентгеновского излучения, тип и постоянную решетки.

В 1916 году Зоммерфельд впервые дал теоретическое истолкование рентгеновских спектров, основанное на предположении, что последние обусловлены переходами электронов на вакантные места во внутренних оболочках.

Т

Успехи и трудности теории Бора - Зоммерфельда

еория Бора с самого начала вызывала целый ряд вопросов, остававшихся без ответа. Резерфорд еще в 1913 году при обсуждении рукописи первой статьи Бора заметил противоречивость представлений о недетерминированных квантовых скачках электронов и о строго детерминированных классических законах движения электронов по орбите. Ничего не зная о причинах квантовых скачков, можно было утверждать со всей определенностью: из теории Бора следовал случайный, вероятностный характер квантовых переходов электрона между различными стационарными орбитами. В дискуссии с Резерфордом Бор отмечал, что именно об этом свидетельствует неодинаковая интенсивность линий в спектрах. В одной из бесед Бор указал Резерфорду, что аналогичная ситуация имеет место и в физике радиоактивных распадов. Это явление носило название ветвления и заключалось в том, что ядра некоторых элементов, находившиеся в одном и том же исходном состоянии, могли претерпевать либо  , либо   распад. Таким образом, в поведении атомного ядра и в поведении электронов проступала общая черта: существование набора возможностей, разрешенных природой, вместо одного единственного варианта. Это противоречило классическому пониманию принципа причинности, классическому детерминизму. Бор уже в 1913 году был уверен, что микромир – это область вероятностных, а не детерминированных закономерностей.

Первые успехи теории Бора в объяснении спектральных закономерностей заставили временно забыть о ее противоречивости. Но со временем стало ясно, что теория неполна. В частности, это проявилось при попытке объяснить эффект Зеемана. Этот эффект был открыт еще в 1896 году голландским физиком Питером Зееманом. Пламя натриевой горелки он помещал между полюсами электромагнита и наблюдал в спектроскоп спектр испускания натрия. По оси электромагнита был высверлен канал, так что спектр можно было наблюдать как в направлении, перпендикулярном магнитному полю (поперечный эффект), так и вдоль поля (продольный эффект). При наблюдении поперечного эффекта кроме центральной линии с частотой , совпадающей с частотой желтой линии натрия в отсутствие поля, наблюдались две боковые линии с частотами и . Несмещенная линия была поляризована в плоскости, перпендикулярной магнитному полю, а обе крайние линии – в плоскости, параллельной направлению поля. При наблюдении продольного эффекта несмещенная компонента отсутствовала, а смещенные линии обладали круговой поляризацией в противоположных направлениях.

В 1897 году Лоренц создал классическую теорию эффекта Зеемана, исходя из представления о ларморовской прецессии орбиты электрона во внешнем магнитном поле. Согласно этой теории, частота обращения электрона изменялась на величину

.

В 1902 году Зееман и Лоренц были удостоены Нобелевской премии за открытие и объяснение эффекта Зеемана.

В 1916 году Зоммерфельд применил условия квантования для построения квантовой теории эффекта Зеемана. Для этого ему пришлось ввести представление о пространственном квантовании. При рассмотрении движения электрона во внешнем магнитном поле оказалось необходимым принять во внимание три условия квантования. Если считать ядро атома покоящимся, и ввести сферические координаты (рис. 42), то эти три условия можно записать в виде:

; ; .

(17.16)

Оказалось, что два новых квантовых числа – «экваториальное» и «широтное» – связаны с азимутальным квантовым числом соотношением , а полная энергия электрона определяется выражением

,

где главное квантовое число . При этом обобщенный импульс

есть не что иное как сохраняющаяся z-проекция момента импульса, и последнее из условий квантования (17.16) может быть переписано в виде

, (17.17)

г

Рис. 42. К условиям квантования (17.16), введенным Зоммерфельдом для построения теории эффекта Зеемана

де m – магнитное квантовое число, равное по модулю , но способное принимать как положительные, так и отрицательные значения, так что при любом азимутальном числе магнитное число m принимает значений , , … , 0, 1, … , . Таким образом, теория Бора-Зоммерфельда позволила установить, что проекция момента импульса на физически выделенное направление имеет квантованные значения, т.е. ориентация электронных орбит в пространстве не может быть произвольной, а существует дискретный набор возможных ориентаций.

Энергия же атома водорода, помещенного во внешнее магнитное поле, определялась двумя квантовыми числами n и m:

.

В итоге частота спектральных линий оказывалась равной

.

Полученный Зоммерфельдом результат согласовался с экспериментом в случае нормального эффекта Зеемана, если принять, что при квантовых переходах изменение магнитного квантового числа может составлять лишь . Однако это правило отбора являлось искусственным и никак не следовало из теории Бора-Зоммерфельда. Более того, теория позволяла рассчитать лишь частоты спектральных линий, но не могла объяснить их интенсивность и поляризацию.