3.7..Штерн және Герлах тәжірибесі

Біз электронның орбиталық моментінің сыртқы сагнит өрісінде кеңістіктік квантталғандвғвн қарастырдық. Бор теориясы бойынша ондай квантталу болмауы керек, орбиталық момент кеңістікте әр түрлі, кез келген бағытта болып, әр түрлі мәндер қабылдау қажет. Міне, бұл Бор теориясының кванттық механиканың қорытындыларымен қайшылықтарының бірі. Бұл қайшылық не себептен болады деген сұрақ туады. 1922 жылы қойылған О.Штерн және В.Герлах тәжірибесінің мақсаты әр түрлі химиялық элементтердің

(4.29)

(m_e – электронның массасы, е – электрон заряды) магниттік моменттерін өлшей отырып, орбиталық және магниттік моменттерінің квантталуын зеттеу болды. өлшеулерді жүргізу үшін Менделеев таблицасының бірінші группасындағы химиялық элементтердіңатомдарын қарастырды. Себебі, бұл группадағы элементердің атомдарының сыртқы валенттік қабатында бір валенттік электрондары болады, ал қалған ішкі қабаттардағы электрондардың орбиталық және магниттік моменттері бір-бірімен өзара компенсацияланған. Сонда тәжірибеде, тек бір валентті электронның магниттік моментін өлшесе болғаны:

(4.30)

Мұндағы В – магнит өрісінің индукциясы, Ғ – магнит өрісінде зарядталған бөлшекке әсер етуші күш, бөлшектердің z осінің бойымен ауытқуы қарастырылады. Штерн және Герлах тәжірибесінің схемасы 3.9 –суретте берілген. А атом көзінен, белгілі бір температураға дейін қыздырған кезде, күміс атомдары ұшып шығады. әдейі формада істелген NS – электромагнит көмегімен күшті біртексіз магнит өрісі В алынады.

Күшті біртексіз магнит өрісінен өткен күміс атомдары Ф фотопластинкаға созылады. Егер атомның орбиталық магниттік моменттері магнит өрісінде әр түрлі кез келген мәндерді қабылдайтын болса, күміс атомдары фотопластинкада негізінен орта жерінде шоғырланған болар еді. Күміспен және бірінші периодтағы басқа элементтердің атомдарымен жүргізілген тәжірибелер, атомдардың магнит өрісінде екіге бөлінетінін көрсетті, яғни қарастырылып отырған атомдардың магниттік моментінің бағдарлану мүмкіндігі екеу екенін көрсетті. Алдында айтып кеткендей, Штерн және Герлах тәжірибелерінде сыртқы І валентті электронның магниттік моментін өлшеген (магниттік моменттің мәні (3.33) формуласын ескерсе, сан жағынан мынадай болады):

(4.31)

мұндағы - Бор магнетоны деп аталатын тұрақты шама. Атомдардың және электронның магниттік моменттері Бор магнетонымен беріледі.

Тәжірибеден dB/dz ьәні белгілі, ал Ғ күшін атомдардың ауытқуы арқылы өлшеп, (4.30) формуласынан берілген элемент атомдарының, дәлірек айтсақ, әлектрондарының магниттік моменті табылған. Штерн және Герлах атомның магниттік моментінің магнит өрісіне проекциясы сан жағынан Бор магнетонына тең екенін тапқан. Міне, сөйтіп Штерн және Герлах тәжірибелері әлектрондар мен атомдардың импульс моменттерінің (магниттік моменттерінің ) сыртқы магнит өрісінде дискреттік квантталған мәндері қабылдайтынын және магнит моментінің сандық мәні Бор магнетонына еселі болғанын практика жүзінде дәлелдейді.

3.8,3.9.. Электрон спині

Сонымен Штерн және Герлах тәжірибесіндегі алынған әлементтер атомдарының күйін қарастырайық. Менделеев таблицасының І группасындағы элементтердің электрондары s, яғни орбиталдық импульс моменті 1=0 күйде болады. Сонда, тәжірибеде өлшеніп алынған қандай импульс моменті (магниттік моменті) деген сқрақ тұрады? Бұл сұраққа жауап беру үшін 1925 жылы Д. Уленбек және С.Гаудсмит электронның орбиталық импульс моментінен меншікті механикалық импульс моменті болады деп есептеді. Оны “спин” деп атады (ағылшын тілінен аударғанда “ұршық”) және оған байланысты пайда болатын меншікті магниттік момент болады. Ал меншікті механикалық импульс моменті, яғни спин қалай пайда болады? әуелгі кезде Уленбек және Гаудсмен спин электрон – шариктің өз өсімен айналуынан пайда болады деген жорамал айтады. Бірақ кейіннен, келесі жай есептеулердің нәтижесі бұл жорамал дұрыс емес екендігін дәлелдейді. Лоренцтің есептеуінше электрон радиусы

болса мұндай шариктің инерция моменті І=0,4m_er² (механика курсынан), ал айналу жылдамдығы , импульс моменті Іω=Һ/2, бұдан шарик экваторындағы сызықтық жылдамдық - =200 с жарық жылдамдығынан шамамен 200 есе артық екені шығады (с – жарық жылдамдығы).

Салыстырмалық теориясы бойынша жарық жылдамдығынан артық жылдамдық болмауға тиіс, яғни электрон-шариктің өз өсінен айналуы туралы жорамал дұрыс емес екен. Қазіргі көзқарастарға қарағанда спин дегеніміз электронның кеңістіктегіқозғалысына байланыссыз, өшпейтін өзіне тән механикалық моменті. Спин – электронның массасы, заряды сияқты қасиетті. Кванттық механика заңдары бойынша спин де квантталған; яғни дискреттік мәндерге ие болуы керек, әрекет квантының бірлігімен өлшенеді.

(4.32)

мұндағы s – кванттық сан спиндік кванттық сан деп аталады. Сонда, Штерн және Герлах тәжірибесіндегі сыртқы магнит өрісі бағытымен бағыттас z осіне түсірілген спиннің проекциясы болады да, магнит өрісінде L_s векторы 2s+1 әр түрлі бағытта бағдарлана алады, яғни электронның бағдарлануы екі бағытта: 2s+1=2. сонда , яғни берілген магнит өрісіне проекциясы

(4.33)

мұндағы m_s – магниттік спиндік сан. Тәжірибедегі бағдарлану екі бағытта, . Бір электрондардың спині +1/2, ал енді (3.10-суретте сыртқы магнит өрісіндегі электрон спинінің бағдарлануы көрсетілген) біреулерінің спині -1/2 болады екен. Басқа элементар бөлшектер – протн, нейтрон мезондардың да спиндері болады. Жартылай тақ спинді бөлшектері фермиондар (электрон, протон, нейтрон және т.с.с.), ал спині жоқ немесе жұп спинді бөлшектерді безондар (фотон, π – мезон және т.с.с.) деп атайды.

Сонымен атомдағы электрондардың күйін сипаттау үшін 4 кванттық сан (бас кванттық – n, орбиталық – 1, магниттік - m₁ және спмндік - s) керек екен.

3.6,3.10,3.11. Алдымызға, өткен тақырыптарды қорытындылай отырып, біз мынадай сұрақ қойсақ: атомның құрылысы қандай, электрондар қалай орналасқан? Бұл сұрақтарға кванттық механика тұрғысынан қалай жауап беру керек?

Ол үшін ең қарапайым атом – сутегі атомын қарастырайық. Сутегі атомы бір протоннан және бір электроннан тұрады. Протон массасы электрон массасына қарағанда өте үлкен болғандықтан (~2000 есе) протонды қозғалмайды деп есептейміз. Сонда ядроны – протонды r₀ ара кашықтықта (радиус) айналып жүретін бір электронның потенциалдық энергиясы (Кулон заңын ескерсе, е – элементар заряд)

(4.34)

болады. Міне, осы ядраны айналып қозғалатын электрон үшін Бор теориясында электрон орбиталары туралы түсінік енгізген. Ал, шынында кванттық механика тұрғысынан қарастырсақ, орбита туралы түсінік өзінің мағынасын жоғалтады (Гейзенбергтің анықталмағандық қатынасынан білеміз). Сонда орбитаны қандай түсінікпен ауыстырамыз? Атомдағы электрон күйін біз тек электрон бұлты, яғни электронның орнын көрсететін ықтималдықтың үлестірілуі арқылы сипаттаймыз. Осы тараудың § 12-ында қарастырған сутегі атомындағы электрон күйі үшін Шредингер теңдеуін жазамыз:

(4.35)

Сфералық координаталар системасын (3.11-сурет) қолданамыз – r, φ, ξ, себебі қарастырып отырған электронымызға протон (р) тұрақтысынан әсер ететін күш, центрлі-симметриялық күш болńып табылады. (3.39) теңдеунің шешімі Е энергияның кез келген оң және теріс дискреттік мәндері үшін

(4.36)

n=1,2,3,…(4.36) қатынасының дискреттік мәндері сутегі атомның энергетикалық спектрін Е₁,Е₂,Е₃,...,Е_n қүрайды , ал n-бас кванттық сан, энергетикалық сипаттамасы болып табылады. Электронның потенциялдық энергиясының электронның ядродан (r) ара қашықтығна байланысты. Е<0 болғанда, электрон қозғалысы шектелген, гиперболалық потенциялдық шұңқырдың ішінде болады. Ал Е>0 болса, электрон қозғалысы шектелмеген, атомнан болініп кете алады.Бұдан электронның теріс энергиялы күйі, оның ядромен байланысқан күйі болып табылады.Бірдей энергиялары бар, яғни басқа кванттық сандары бірндей, бірақ әр түрлі ĺ мәні бар күйлерде ерекшеленген, азғынданған,(вырожденный) күйлер дейді.

(4.35) теңдеудің меншікті мәндері үш бүтін сандық параметрлерге байланысты ń, ĺ және m_l

Ψ=Ψ _n ĺ _m (r,φ,ξ ) (4.37)

l және m_l параметрлері, алдынғы тақырыптарда қарастырған орбиталық және магниттік кванттық сандар. Суреттегі атомның негізгі (ең төменгі) энергетикалық күйінде n=1,l=0,m_l=0, яғни 1s күйі сфералық симметриялық күй. Бұл күйде электрон ядродан r₀ қашықтықта кез келген нүктеде бірдей ықтималдықпен табылады, сфера түріндегі электрон бұлтын түзеді (3.13-сурет), яғни φ және ξбүрыштарына тәуелсіз. Сондықтан бұл күйде толқындық функция Ψтек қана электронның ядродан r₀ ара қашықтығымен анықталады. 1s күйдегі электрон үшін Шредингер теңдеуі мына түрге келеді:

Ψ=Се-r /a₀ , (4.38) сутегі атомы үшін түрақты шама I-ші Бор орбитасының радиусына тең. С - ықтималдықты нормалау шартымен анықталатын түрақты шама. Электронның бір dv=4πr²dr көлемде табылу ықтималдылығын нормалау шарты:

1=

Интегралдап, С=1/ екенін тауып; (3.42) формуласына қойсақ, 1s күйдегі электрон үшін

, (4.39)

электронның dv көлемінде табылу ықтималдылығы

dw= |Ψ|² dv=|Ψ|² 4πr² dr

(4.39) формуласындағы толқындық функция мәнін қойсақ

dw=

Электронның r₀+dr және r₀ ара қашықтығындатабылу ықтималдылығының тығыздығы w (r) негізгі күй үшін ара қашықтықтың функциясы және оның максимумы 1-ші Бор орбитасы радиусының ұзындығына тең. Негізгі күйдегі электронның ядродан r₀ қешықтықта табылу ықтималдылығының нақты максимумы көрінеді. Бұл күйдегі электронның ешқандай орбитасы туралы сөз болуы мүмкін емес.

Сутегі атомының электроны сырттан белгілі бір энергия алып n=2 күйге көшсін делік. Бұл күйде 1=0, немесе l=1, ал w(r) функциясының r-ге тәуелділігі белгілі.1=1 болғанда z осіне проекциясы m_L=+1, 0, - 1 мәндерін қабылдайды. Бұл күйлерде электронның берілген V көлемінің белгілі бір бөлігінде болуы ξ бұрышына байланысты.

Сутегі тәріздес ионданған атомдар (мысалы Не⁺, Li⁺⁺) күйлерін сутегі атомы сияқты сипаттауға болады. Атомның жарық шығаруы немесе жұтуы электрондарының бір энергетикалық деңгейден екінші энергетикалық деңгейге ауысқанда болады. Кванттық механикада орбиталық кванттық сан үшін іріктеу ережесі болады:

(4.40)

(4.40) теңдігінің орындалуы дегеніміз электронның әрбір ауысуы кезінде орбиталық кванттық сан тек қана бірге өзгереді. Іріктеу ережесінің болу себебі фотонның меншікті импульс моментінің болуына байланысты. Жарық шығарылғанда фотон атомнан осы импульс моментін алып келеді де, ал жарық жұтылған мезгілде сондай импульс моментін атом моментіне қосады. Басқаша айтқанда, іріктеу ережесі импульс моментінің сақталу заңының салдары.

Енді іріктеу ережесін қолданып сутегі атомындағы электронның әр түрлі энергетикалық деңгейге ауысу кезіндегі шығаратын спектрлерін қарастырайық.. Лайман сериясы пайда болу үшін келесідей ауысу орындалу керек пр→1s (n=2,3,…), Бальмер сериясы үшін ns→2p және nd→2p (n=3,4,…), тағы да сериялар үшін осылай жалғаса береді. Сутегі атомы үшін 1sкүй негізгі күй болып табылады. Бұл күйде ол атои ең минимал (-13,53 эВ) энергияға ие. Ал атомды қозу күйіне ауыстыру үшін ол флтон жұтуы, электронмен, немесе басқа атоммен соқтығысуы керек. Ал атом фотонды бөлшектеп емес, толығымен жұтады да, оның энергиясын алып қозу күйіне ауысады.

Бұл тақырыпта қосымша айта кететін мәселе – сілтілік металдардың шығаратын спектрлері сутегі атомының спектрлері сияқты әр түрлі сериялардан тұрады. Олардың негізгілері: бас серия, қатаң, диффузиялық және негізгі сериялар (немесе Бергмен сериясы). Бас серияны алсақ. Атом ол серияны шығарып негізгі күйге өтеді. Қатаң және диффузиялық сериялар анық көрінетін және “жуылған” (анық көрінбейтін) сызықтардан тұрады. Ал негізгі спектр сериясы сутегі атомының серияларына ұқсас болғандықтан атын солай қойған.

Сілтілік металдардың спектрлері сыртқы (валенттік) электрон энергетикалық днңгейге ауысқанда шығарылады. Бұл жағынан сілтілік металдардың спектрлер шығаруы, сутегі атомының спектріне ұқсас. Бірақ сутегі атомының спектрлерінен айырмашылықтары бар. Ол айырмашылықтар, біріншіден, сутегі атомының энергетикалық деңгейлеріне қарағанда сәйкес деңгейлер жоғарырақ орналасқан. Екіншіден – деңгейлер бір-біріне қарағанда ығысқан. Мысалы Na үшін негізгі күй 3s болып табылады. Егер натрий атомы қозса, 3s күйдегі электрон 3p, 3d, 4s, 4p тағы басқа сол сияқты күйлерге өте алады. Сонымен қатар, шығарылатын спектрлер сериялары кванттық сан 1-ге де байланысты болады. Сілтілік металдардың әрбір спектрлік сызықтары қос сызықтан тұрады (дублет). Мысалы, 3p→3s ауысу кезінде шығатын спектр екі сызықтан тұрады. Олардың толқын ұзындықтары: 5890 және 5896 . Бұл сызықтар жұқа құрылым деп аталады. Ал бірнеше компоненттерден тұратын күрделі сызықтар мультиплеттер деп аталады. Спектрлік сызықтардың жіктелуі энергетикалық сызықтардың жіктелуімен байланысты.

Электрон спині орбиталық импульс моменті бірігп электрон импульсінің толық моментін (1) құрайды. Сыртқы магнит өрісінде спин де, орбиталық импульс моменті де квантталатын болғандықтан:

I= , (4.41)

Мұндағы j электрон импульсінің толық моментінің кванттық саны. Берілген 1 үшін j екі мәнге ие бола алады. ( есебімен):

, (4.42)

ал 1=0 болғанда -ге тең. Сондықтан орбитал импульс моментінің әрбір мәні үшін толық моменттің тек қана екі мәні болады. 3.18 а, б-суретте векторының екі мүмкін бағыты берілген (1=0). Мысалы, 1=1 болса, болса, j=3/2, 5/2 және т.с.с. Оны келесідей белгілейді: орбиталық моменті көрсететін әріптің төменгі жағына j-дың мәні индекс түрінде беріледі. Егер 1=1 және j=3/2 болса, оны р_3/2, ал 1=1 және болса, оны р_1/2 ретінде белгілейді.

Электронның спині болуына байланысты орбиталық моментінің тек нольне тең күйінен басқа барлық күйлері екіге жіктеледі: және . Сыртқы магнит өрісі жоқ кезде спин-орбиталық әрекеттесу болады, яғни электронның орбиталық қозғалысынан туатын магнит өрісімен спиндік магниттік моменті әрекеттеседі де р – күйі екі құраушыға р_1/2 және р_3/2 бөлінеді. Енді электрон осы күйлерден s_1/2 негізгі күйге өткенде бір-біріне өте жақын орналасқан дублет сызықтар шығарады, яғни алдында айтып кеткен, жұқа құрылым (нәзік түзіліс) береді (мысалы, натрий үшін λ=5890 және 5896 екі сызықтық спектр).

5-ші лекция. 3. Кванттық механиканың негізгі ұғымдары.

3.12. Көп электронды атомдардың құрылымы.

3.13. Зееман – Штарк эффектісі.

3.14. Магниттік резонанас

3.15. Ядролық магниттік резонанас.

3.16. Электрондық парамагниттік резонанас.

3.17. Резонанастық құбылыстардың қолданылуы және зерттеу әдістері.

3.18. Элементердің преиодтық жүйесі.

3.19. Сипаттық рентген сәулесінің табиғаты.

3.20. Мозли заңы және оның мағынасы.

3.21. Молекулалық спектр.

3.12.Атом құрылымы және оның спектрлері.

Алдымызға, өткен тақырыптарды қорытындылай отырып, біз мынадай сұрақ қойсақ: атомның құрылысы қандай, электрондар қалай орналасқан? Бұл сұрақтарға кванттық механика тұрғысынан қалай жауап беру керек?

Ол үшін ең қарапайым атом – сутегі атомын қарастырайық. Сутегі атомы бір протоннан және бір электроннан тұрады. Протон массасы электрон массасына қарағанда өте үлкен болғандықтан (~2000 есе) протонды қозғалмайды деп есептейміз. Сонда ядроны – протонды r₀ ара кашықтықта (радиус) айналып жүретін бір электронның потенциалдық энергиясы (Кулон заңын ескерсе, е – элементар заряд)

(5.1)

болады. Міне, осы ядраны айналып қозғалатын электрон үшін Бор теориясында (біз алдыңғы параграфтарда қарастырып кеткен) электрон орбиталары туралы түсінік енгізген. Ал, шынында кванттық механика тұрғысынан қарастырсақ, орбита туралы түсінік өзінің мағынасын жоғалтады (Гейзенбергтің анықталмағандық қатынасынан білеміз). Сонда орбитаны қандай түсінікпен ауыстырамыз? Атомдағы электрон күйін біз тек электрон бұлты, яғни электронның орнын көрсететін ықтималдықтың үлестірілуі арқылы сипаттаймыз. Осында сутегі атомындағы электрон күйі үшін Шредингер теңдеуін жазамыз:

(5.2)

Сфералық координаталар системасын қолданамыз – r, φ, ξ, себебі қарастырып отырған электронымызға протон (р) тұрақтысынан әсер ететін күш, центрлі-симметриялық күш болńып табылады. (5.2) теңдеунің шешімі Е энергияның кез келген оң және теріс дискреттік мәндері үшін

(5.3)

n=1,2,3,…(3.40) қатынасының дискреттік мәндері сутегі атомның энергетикалық спектрін Е₁,Е₂,Е₃,...,Е_n қүрайды, ал n-бас кванттық сан. Электронның потенциялдық энергиясыны электронның ядродан (r) ара қашықтығна байланыстылығы. Е<0 болғанда, электрон қозғалысы шектелген, гиперболалық потенциялдық шұңқырдың ішінде болады. Ал Е>0 болса, электрон қозғалысы шектелмеген, атомнан болініп кете алады.Бұдан электронның теріс энергиялы күйі, оның ядромен байланысқан күйі болып табылады.Бірдей энергиялары бар, яғни басқа кванттық сандары бірндей, бірақ әр түрлі ĺ мәні бар күйлерде ерекшеленген, азғынданған,(вырожденный) күйлер дейді.

(5.2) теңдеудің меншікті мәндері үш бүтін сандық параметрлерге байланысты ń, ĺ және m_l

Ψ=Ψ _n ĺ _m (r,φ,ξ ) (5.4)

l және m_l параметрлері, алдынғы тақырыптарда қарастырған орбиталық және магниттік кванттық сандар. Атомның негізгі (ең төменгі) энергетикалық күйінде n=1,l=0,m_l=0, яғни 1s күйі сфералық симметриялық күй. Бұл күйде электрон ядродан r₀ қашықтықта кез келген нүктеде бірдей ықтималдықпен табылады, сфера түріндегі электрон бұлтын түзеді , яғни φ және ξбүрыштарына тәуелсіз. Сондықтан бұл күйде толқындық функция Ψтек қана электронның ядродан r₀ ара қашықтығымен анықталады. 1s күйдегі электрон үшін Шредингер теңдеуінің шешімі мына түрге келеді:

Ψ=Се-r /a₀ , (5.5) сутегі атомы үшін түрақты шама және I-ші Бор орбитасының радиусына тең. С - ықтималдықты нормалау шартымен анықталатын түрақты шама. Электронның бір dv=4πr²dr көлемде табылу ықтималдылығын нормалау шарты:

1=

Интегралдап, С=1/ екенін тауып; (5.5) формуласына қойсақ, 1s күйдегі электрон үшін

, (5.6)

электронның dv көлемінде табылу ықтималдылығы

dw= |Ψ|² dv=|Ψ|² 4πr² dr

(5.6) формуласындағы толқындық функция мәнін қойсақ

dw=

Электронның r₀+dr және r₀ ара қашықтығындатабылу ықтималдылығының тығыздығы w (r) негізгі күй үшін ара қашықтықтың функциясы және оның максимумы 1-ші Бор орбитасы радиусының ұзындығына тең.

Сутегі атомының электроны сырттан белгілі бір энергия алып n=2 күйге көшсін делік. Бұл күйде 1=0, немесе l=1, ал w(r) функциясының r-ге тәуелділігі белгілі. 1=1 болғанда z осіне проекциясы m_L=+1, 0, - 1 мәндерін қабылдай алады да, функция графигі сегіздіктің өз-өзінен айналған кездегі пайда болатын фигура тәріздес. Бұл күйлерде электронның берілген V көлемінің белгілі бір бөлігінде болуы ξ бұрышына байланысты.

Сутегі тәріздес ионданған атомдар (мысалы Не⁺, Li⁺⁺) күйлерін сутегі атомы сияқты сипаттауға болады. Атомның жарық шығаруы немесе жұтуы электрондарының бір энергетикалық деңгейден екінші энергетикалық деңгейге ауысқанда болатынын қарастырғанбыз. Кванттық механикада орбиталық кванттық сан үшін іріктеу ережесі болады:

(5.7)

(5.7) теңдігінің орындалуы дегеніміз электронның әрбір ауысуы кезінде орбиталық кванттық сан тек қана бірге өзгереді. Іріктеу ережесінің болу себебі фотонның меншікті импульс моментінің болуына байланысты. Жарық шығарылғанда фотон атомнан осы импульс моментін алып келеді де, ал жарық жұтылған мезгілде сондай импульс моментін атом моментіне қосады. Басқаша айтқанда, іріктеу ережесі импульс моментінің сақталу заңының салдары.

Енді іріктеу ережесін қолданып сутегі атомындағы электронның әр түрлі энергетикалық деңгейге ауысу кезіндегі шығаратын спектрлерін қарастырайық ,мысалы, Лайман сериясы пайда болу үшін келесідей ауысу орындалу керек пр→1s (n=2,3,…), Бальмер сериясы үшін ns→2p және nd→2p (n=3,4,…), тағы да сериялар үшін осылай жалғаса береді. Сутегі атомы үшін 1sкүй негізгі күй болып табылады. Бұл күйде ол атои ең минимал (-13,53 эВ) энергияға ие. Ал атомды қозу күйіне ауыстыру үшін ол флтон жұтуы, электронмен, немесе басқа атоммен соқтығысуы керек. Ал атом фотонды бөлшектеп емес, толығымен жұтады да, оның энергиясын алып қозу күйіне ауысады.

Бұл тақырыпта қосымша айта кететін мәселе – сілтілік металдардың шығаратын спектрлері сутегі атомының спектрлері сияқты әр түрлі сериялардан тұрады. Олардың негізгілері: бас серия, қатаң, диффузиялық және негізгі сериялар (немесе Бергмен сериясы). Бас серияны алсақ. атом ол серияны шығарып негізгі күйге өтеді. Қатаң және диффузиялық сериялар анық көрінетін және “жуылған” (анық көрінбейтін) сызықтардан тұрады. Ал негізгі спектр сериясы сутегі атомының серияларына ұқсас болғандықтан атын солай қойған.

Сілтілік металдардың спектрлері сыртқы (валенттік) электрон энергетикалық днңгейге ауысқанда шығарылады. Бұл жағынан сілтілік металдардың спектрлер шығаруы, сутегі атомының спектріне ұқсас. Бірақ сутегі атомының спектрлерінен айырмашылықтары бар. Ол айырмашылықтар, біріншіден, сутегі атомының энергетикалық деңгейлеріне қарағанда сәйкес деңгейлер жоғарырақ орналасқан. Екіншіден – деңгейлер бір-біріне қарағанда ығысқан. Мысалы Na үшін негізгі күй 3s болып табылады. Егер натрий атомы қозса, 3s күйдегі электрон 3p, 3d, 4s, 4p тағы басқа сол сияқты күйлерге өте алады. Сонымен қатар, шығарылатын спектрлер сериялары кванттық сан 1-ге де байланысты болады. Сілтілік металдардың әрбір спектрлік сызықтары қос сызықтан тұрады (дублет). Мысалы, 3p→3s ауысу кезінде шығатын спектр екі сызықтан тұрады. Олардың толқын ұзындықтары: 5890 және 5896 . Бұл сызықтар жұқа құрылым деп аталады. Ал бірнеше компоненттерден тұратын күрделі сызықтар мультиплеттер деп аталады. Спектрлік сызықтардың жіктелуі энергетикалық деңгейлердің жіктелуімен байланысты.

Электрон спині орбиталық импульс моментіне бірігіп электрон импульсінің толық моментін (1) құрайды. Сыртқы магнит өрісінде спин де, орбиталық импульс моменті де квантталатын болғандықтан:

I= , (5.8)

Мұндағы j электрон импульсінің толық моментінің кванттық саны. Берілген 1 үшін j екі мәнге ие бола алады. ( есебімен):

, (5.9)

ал 1=0 болғанда -ге тең. Сондықтан орбитал импульс моментінің әрбір мәні үшін толық моменттің тек қана екі мәні болады. Мысалы, 1=1 болса, болса, j=3/2, 5/2 және т.с.с. Оны келесідей белгілейді: орбиталық моменті көрсететін әріптің төменгі жағына j-дың мәні индекс түрінде беріледі. Егер 1=1 және j=3/2 болса, оны р_3/2, ал 1=1 және болса, оны р_1/2 ретінде белгілейді.

Электронның спині болуына байланысты орбиталық моментінің тек нольге тең күйінен басқа барлық күйлері екіге жіктеледі: және . Сыртқы магнит өрісі жоқ кезде спин-орбиталық әрекеттесу болады, яғни электронның орбиталық қозғалысынан туатын магнит өрісімен спиндік магниттік моменті әрекеттеседі де р – күйі екі құраушыға р_1/2 және р_3/2 бөлінеді. Енді электрон осы күйлерден s_1/2 негізгі күйге өткенде бір-біріне өте жақын орналасқан дублет сызықтар шығарады, яғни алдында айтып кеткен, жұқа құрылым (нәзік түзіліс) береді (мысалы, натрий үшін λ=5890 және 5896 екі сызықтық спектр).