Физика. Теоретические курсы / Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики / Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики. Том 3

тронов к атомам существенно зависит от энергии электрона. Пока энергия электронов меньше, чем 4,9 эВ (т. е. U1 < 4,9 В), электроны вовсе не теряют энергии при соударениях с атомами (т. е. U2 = U1). Но когда энергия электронов достигает (или немного превышает) 4,9 эВ (U1 4,9 В), потеря энергии при соударениях сразу становится большой (т. е. U2 U1). При этом при столкновении электрон отдает, а значит, атом ртути воспринимает всегда о д н у и т у ж е порцию энергии, равную 4,9 эВ 1). Очевидно, эта величина характеризует свойство атома ртути: энергия его может меняться только на конечную величину, равную 4,9 эВ. Меньшую энергию атом ртути не воспринимает.

При изучении механики, теплоты, электричества мы не встречались с подобным явлением: энергия любого тела или системы тел в принципе могла изменяться непрерывно, т. е. сколь угодно малыми порциями. В случае же атома ртути непрерывное изменение энергии невозможно — энергия ртутного атома меняется только п р е р ы в н о, т. е. на к о н е ч н у ю величину 2).

Делая соответствующие опыты с другими веществами, мы приходим к тому же заключению о п р е р ы в н о с т и (дискретности) э н е р г е т и ч е с к и х с о с т о я н и й атомов.

Исследование оптических спектров. Как известно (§ 173), элементы в газообразном состоянии обладают л и н е й ч а т ы- м и спектрами испускания и поглощения света. Каждому элементу свойственны определенные спектральные линии, отличные от линий других элементов. Так как атомы газа находятся в среднем на больших расстояниях и не влияют друг на друга, частоты линейчатого спектра элемента должны определяться свойствами о т д е л ь н о г о а т о м а этого элемента.

Вгл. XXI мы выяснили, что световая энергия существует

ввиде мельчайших неделимых порций — к в а н т о в; атомы должны, следовательно, излучать и поглощать свет такими же

порциями, квантами. Энергия кванта пропорциональна частоте света ν, т. е. равна hν, где h = 6,6 · 10−34 Дж · с — постоянная Планка. Энергия испущенного атомом кванта по закону сохра-

нения энергии равна разности энергий атома д о и п о с л е

1) Если энергия электронов превышает 6,7; 8,3 эВ и т. д., то при соударениях с атомами ртути передаваемые порции энергии могут быть не только 4,9, но и 6,7; 8,3 эВ и т. д.

2) Речь идет о внутренней энергии атома. Кинетическая энергия атома, движущегося как целое, может меняться сколь угодно мало в соответствии с тем, что скорость поступательного движения атома может меняться па любую малую величину.

16 Г. С. Ландсберг

где W — энергия начального состояния атома (до излучения); W — энергия конечного состояния атома (после излучения).

Соотношение (204.1) связывает изменение энергии атома при испускании или поглощении света с частотой последнего ν. Если бы энергия атома могла испытывать всевозможные изменения, то в атомном спектре присутствовали бы всевозможные частоты и он был бы с п л о ш н ы м подобно спектру раскаленного твердого тела. В действительности же атомный спектр (т. е. спектр испускания или поглощения одноатомного газа) не сплошной, а л и н е й ч а т ы й. Он содержит только н е к о т о р ы е о п р е- д е л е н н ы е характерные для данного атома частоты. Следовательно, энергия атома не может испытывать всевозможные, любые изменения. Энергия атома может изменяться только на некоторые определенные значения. Зная спектр вещества, нетрудно найти эти значения с помощью соотношения (204.1).

Так, например, спектр поглощения ртутного пара содержит следующие линии (в порядке убывания длин волн): 253,7, 185,0, 140,3 нм и т. д. Подставляя в (204.1), находим для первой линии

W− W = hν = hc/λ =

=6,6 · 10−34 · 3 · 108/253,7 · 10−9 = 7,8 · 10−19 Дж,

или

W − W = 7,8 · 10−19/(1,6 · 10−19) = 4,9 эВ.

Для второй и третьей линий получаем соответственно W − W = = 6,7 эВ и W − W = 8,3 эВ. Атом ртути может, таким образом, воспринимать энергию только в виде порций, равных 4,9; 6,7; 8,3 эВ и т. д. Наименьшая воспринимаемая порция оказывается равной 4,9 эВ в согласии с результатом, полученным из опытов по соударениям электронов с атомами 1).

Итак, оба рассмотренных нами класса явлений — оптические спектры и взаимодействие атомов с электронами — указывают на п р е р ы в н ы й (д и с к р е т н ы й) характер внутренней энергии атомов. Энергия атома не может изменяться непрерывно. Она изменяется скачками на определенные, конечные порции, различные для разных атомов. Отсюда следует, что энергия атома не может быть любой, а может принимать только некото-

1) Отметим, что в этих опытах наблюдается свечение пара ртути с испусканием света с длиной волны 253,7 нм, возникающее, когда энергия электронов становится равной или больше 4,9 эВ.

рые избранные значения, характерные для каждого атома. Возможные значения внутренней энергии атома получили название

энергетических или квантовых уровней.

Схема энергетических уровней атома водорода, построенная на основании спектральных данных, изображена на рис. 360

Рис. 360. Схема энергетических уровней атома водорода. Горизонтальные линии — энергетические уровни (n — номер уровня). За начало отсчета по шкале энергий принята наименьшая внутренняя энергия атома водорода, т. е. энергия уровня n = 1. Вертикальные линии — переходы с верхних энергетических уровней на нижние. Длина такой линии дает энергию hν светового кванта, излучаемого при данном переходе. Переходы группируются в серии: серия Лаймана — переходы с уровней n > 1 на уровень n = 1, серия Бальмера — переходы с уров-

ней n > 2 на уровень n = 2 и т. д. (см. также § 175)

в виде ряда параллельных линий. Расстояние между двумя линиями равно р а з н о с т и э н е р г и й двух состояний водородного атома и, следовательно, пропорционально частоте кванта, излучаемого при переходе из одного состояния в другое (более

16*

484 Гл. XXII. Строение атома

низкое). Поэтому расстояния между уровнями выражают в некотором масштабе частоты спектральных линий водорода.

Атом, находящийся в одном из высших энергетических состояний (обозначенных номером n > 1 на рис. 360), через небольшой промежуток времени (около 10−8 с) перейдет в более бедное энергией состояние, испуская соответствующий квант. Из низ-

в другое состояние. Следовательно, низшее состояние является устойчивым 1). При нормальных условиях все атомы находятся в низшем энергетическом состоянии, и газ не светится.

Сообщая атому энергию, мы можем в о з б у д и т ь его, т. е. перевести из нормального (низшего) состояния в одно из высших энергетических состояний. В случае водорода расстояние от низшего энергетического уровня (n = 1) до ближайшего высшего уровня составляет 10,1 эВ. Это н а и м е н ь ш а я п о р ц и я э н е р г и и, которую находящийся в низшем состоянии водородный атом может поглотить. Меньшей энергии атом водорода не может воспринять, ибо у него не существует состояний, энергия которых отличается от энергии нормального состояния меньше чем на 10,1 эВ. Для атома ртути аналогичная величина равна, как мы видели, 4,9 эВ.

§ 205. Вынужденное излучение света. Квантовые генераторы. Представление о квантовых энергетических уровнях атомов было введено в физику Н. Бором в 1913 г. Оно очень естественно объяснило линейчатые атомные спектры как результат процессов с п о н т а н н о г о (самопроизвольного) и з л у ч е- н и я и р е з о н а н с н о г о (избирательного) п о г л о щ е н и я света атомами (рис. 361, а и б). В 1919 г. Эйнштейн показал, что наряду с процессами спонтанного излучения и резонансного поглощения существует третий процесс — вынужденное (индуцированное) излучение. По Эйнштейну свет резонансной частоты, т. е. той частоты, которую атомы способны поглощать, переходя на более высокий энергетический уровень, должен вызывать высвечивание атомов, уже находящихся на этом верхнем уровне (рис. 361, в), если таковые имеются в среде.

Характерная особенность вынужденного излучения состоит в том, что испускаемый свет неотличим от вынуждающего света, т. е. с о в п а д а е т с н и м п о в с е м п р и з н а-

1) Самый низкий энергетический уровень называется основным, все остальные уровни — возбужденными.