книги из ГПНТБ / Столярчук В.Г. Строение атома и периодическая система элементов Д. И. Менделеева

В

этом

с л у ч а в п о с т о я н н а я Р и д б е р г а

Н =

109737

ом"-'-.

Экспериментальное з н а ч е н и е в ,

вычисленное

с

болывой о те »

пенью

т о ч н о с т и , с о с т а в л я е т

109671,581 с м " * , . Т а к о е

с о г л а с и е

теории с

экспериментом я в л я л о с ь

большим

jcnexoM

теории

Б о р а .

С ери и,аналогичные

водородным,

были

обнаружены

также

в с п е к ­

трах

ионизованных

а т о к о в

г е л и я , ^ и т и я ,

бериллия

и

д р . э л е -

м е н т о в . С е р и и ,

принадлежащие

ионам

,.+

,

и.+ +

,

п*

+ +

и т . д . ,

ле

<£с

ае

т . е .

и о н а м , обладающим,как

и

атом

в о д о р о д а ,

только

одним

электроном,выражаются

формулой

\ П,2

IIg

7

( 2 0 )

Волновое ч и с л о

( V

)

любой спектральной

линии

водородного

с п е к т р а можно

представить

к а к р а з н о с т ь

двух

ч ле н о в

при

каких - нибудь

целых

значениях

Hi

и

П„ .

Вводя

о б о з н а ч е н и е

7J///,)=

R

и

\

/

Я

и ° х

У р а в н е -

—

( " г ) =

~Т

s

я 0

ине

( 1 9 а )

з а п и с а т ь

в виде

разности

двух

функций целых

ч и с е л :

У' =

7l { ^t)~^(^t)

уравнение Р и д б е р г а

(21 )

Числа

T-ffl,)

А 7р(П?)

называются спектральными

термами

или

просто

термами» Для линий

одной

серии

имеет

п о с т о ­

янное

з н а ч е н и е ,

а

Ч£ Пг )

имеет

переменное

з н а ч е н и е .

Таким

о б р а з о м , у равнение

Р и д б е р г а

(21 )

п о з в о л я е т

показать

епчктр и з л у ч е н и я л

г а д е р а з н о с т и

двух

термов

'' рис .

7

) ,

Величины

5

,

р

,

4

,

^

-

правильные

дроби и

являются

некоторыми

параметрами,

имеющими

постоянное

з н а ч е ­

ние

д л я

каждой

с е р и и ,

т . е .

д л я определённых

г р у п п ' у р о в н е й

д а н н о г о э л е м е н т а .

Поскольку

каждая

с п е к т р а л ь н а я

линия

х а р а к т е р и з у е т с я

с т р о ­

г о

определённой

длиной волны,

а

с л е д о в а т е л ь н о ,

и

с т р о г о

о п ­

ределённой

ч а с т о т о й ,

то

э т о з н а ч и т ,

что

атомы

могут

и з л у ­

чать

к в а н т

с в е т а

только

с т р о г о определённой

э н е р г и и ,

в е л и ­

чина

которой

д л я

каждой

с п е к т р а л ь н о й

линии

может

быть

в ы ч и с ­

л е н а

по

уравнению

Планка:

Е

а Ь

0 .

Излучая

к в а н т

с в е т а ,

атом

п е р е х о д и т

из

одного

э н е р г е т и ч е с ­

кого

с о с т о я н и я

в

д р у г о е .

Отсюда

с т а н о в и т с я

ясным

физический

смысл

термов

-

терма

х а р а к т е р и з у ю т

уровни

энергии

э л е к т р о ­

нов

в

а т о м а х .

Электроны

в а т о м а х ,

таким^образом,

могут

о б л а ­

д а т ь

только

с т р о г о

определёнными

значениями

э н е р г и й ,

х а р а к т е ­

ризуемыми рядом

целых

ч и с е л .

2.

З н а ч е н и е

теории

Бора

з а к л ю ч а е т с я

в том,

что

она

д а л а

устойчивую

теорию

с т р о е н и я

атома

водорода

и с в я з а л а

с

в н у т ­

ренней с т р у к т у р о й

атома

механизм

о б р а з о в а н и я

спектральных

л и н и й . Расчёты Боровских

о р б и т ,

ч а с т о т излучений

атома

в о д о ­

р о д а , постоянной

Ридберга

п о к а з а л и

полное

с о в п а д е н и е

с э к с ­

периментальными

данными.

Но

т е о р и я

Бора

имеет

целый

ряд

н е д о с т а т к о в .

Н . Бор, Rax и Э . РезерФррд,

с ч и т а л , что

электроны

в р а ­

щаются в о к р у г

ядра

по

окружностям

и движение

их уподоблено

механическому

перемещению

в п р о с т р а н с т в е .

электронных,

с

прииенеаиеи более

совершенных

приборов,

показа»

л и , что большинство

спектральных

линий ( в магнитной и электри­

ческом

полях

)

оказываются не

простыми и

образуют

тесные

группы,

называемые муль ти влетами. Явление расцеплении

спектральных

линий

называется мультяплатностью ( р и с . 10

) .

Рис.10,

Например, для натрия

- жёлтая линия

является двойной

( д у б л е т о м ) ,

причём обе

части

отличаются

д р у г

от друга

по д л и ­

не волны на 6А°.

Для щелочноземельных металлов характерны

тройные

линия»

-триплеты.

Видимая часть спектра атома водорода насчитывает не 4, а

большее число л р и й ( р и с . 7 )

(мы берём

только

более интенсив­

ные).

Наличие

мультиплстности указывает на существований

н е к о ­

том же энергетичесхом

уровне. Объяснить явление

мультиолвтно-

сти

теория Бора не смогла. Это в

какой-то

мере

пытало я с д е ­

лать

немецкий учёный

Зомыерфельд

к другие

учёные.

-

w

-

Теория

Б о р а

в

решении

проблемы

химической

с т а з а

также

о к а з а л а с ь

б е с с и л ь н о й .

Она

не

д а в а л а

во знойное

подойти

к

с т р у к т у р е

простейших молекул, н а п р и м е р , даже

т а к и х ,

гак

мо ­

лекулярный

ион

водорода

.

3» т е о р и я

Зоиыерфельда

[ 7 г Г Й , Т 7 ]

Зомиерфельд

в

1915

году

р а з р а б о т а л

теории

с т р о е н и я

много»

электронных

а т о м о в ,

которая

я в и л а с ь

дальнейшим

развитием

т е ­

ория Б о р а ,

В

атоме

электроны

могут

вращаться

не

т о л ь к о

по

круговны стационарным орбитам, но и

по

эллиптический .

Поел един е .

могут

различным

образо м р а с п о л а г а т ь с я

в

простран ­

с т в е ; при

9Т9М размеры орбит и их расположение

в

пространстве

з а д а в а л и с ь

правилами к в а н т о в а н и я .

Для о п р е д е л е н и я

э л л и п с а

уже н е д о с т а т о ч н о ,

к а к

д л я

к р у г а ,

о д н о г о к в а н т о в о г о

числа . н

Зомиерфельд

вводит

понятие

второго

побочного

к в а н т о в о г о

числа

К,

т . к .

эллипс

определяетс я

длинной

и

короткой

полуосями .

В к л а с с и ч е с к о й

механике

соотношение

между

этими

полуосями

может и з м е н я т ь с я

ка к у г о д н о .

В

квантовой

механике длинная

и

короткая полуоси могут меняться лишь

с к а ч к а ы н - к в а н т у ю т с я .

Большая

полуось

определяет

г л а в н о е

к в а н т о в о е

ч и с л о ;

малая

полуось

-

побочное

к в а н т о в о е

ч и с л о :

коротка я

полуось

/У

большая

полуось

П

К - принимает значения 1 , г , 3

П

.

Например,

д л я

атома

водорода

в нормальной

с о с т о я н и и

электрон

вращается

в о к р у г

яд

р а п о круговой

о р б и т е .

Квантовое

о б о з н а ч е н и е :

П «=

I ,

К =

I

или

сокращённо

I j

( п о б о ч н о е

квантово е

число

внизу

г л а в н о г о ) .

Взлн

электрон

а той а

возбуждён,

например

вращается

по

ч-й

квантовой

о р б и т е ,

то

он

может

вращаться

и

по

э л л и п т и ч е с ­

ким орбитам, большая полуось которых равна

радиусу

ч е т в ё р т о г о

квантового

слоя ( ц 2

, 0 , 5 9

А 0 ) , а

короткие

полуоси

равны

-jp

,

г д е

ft

-

имеет

значение

1 , 2 , 3 , ч ,

т . е .

j/Ч

или

2 А

или З Д .

При

отношении

ч А

эллипс

превращается

в

к р у г .

Квантовые

обозначения

Азможных

электронных

орбит

4 - г о

(

П =

Ч)

квантового с л о я :

'4f

,

- 42

,

4 }

,

4^

.

При

п е р е с к о к е

электрона

с

орбиты

4 j

или

ч 2

на орбиту 2g вы­

деляются

разные

световые

к в а н т ы ,

что

обусловливает

расщепле ­

ние

спектральных

линий

одной

и

той

же серии

( т . е . м у л ь т и п л о т ­

н о с т ь ) .

Итак,

электроны, находящиеся

в

одном

квантовом

( э н е р г е т и ­

ческом)

с л о е ,

имея

примерно

одинаковый

запас

э н е р г и и ,

могут

несколько

о т л и ч а т ь с я друг

о т

д р у г а

своей

энергией

[ 7 J »

Но теория Бора-Зомыерфельда

в с ё - т а к и

была

не

в

состоянии

объяснить

всех д е т а л е й

с т р о е н и я

атома

и

п р о ц е с с о в , п р о т е к а ю ­

щих

в

нём.

Главные

н е д о с т а т к и

т е о р и и :

I .

Самым большим н е д о с т а т к ом

я в л я е т с я внутренняя

н е л о г и ч ­

нее т ь

т е о р и и . С

одной

с т о р о щ ^ о н а

опирается

на

классическую

механику,

а

с

другой,

отбрасывая

законы классической

э л е к ­

тродинамики,

привлекает

квантовую

теорию

д л я

объяснения

строения

а т о м а .

.

2 .

Эта

теория

не в

состоянии

представить

количественно

тонкую

структуру

линий,

н е д а ё т

объяснения

раздвоения

с п е к ­

тральных

линий в

нагЕитьюа ( з ф { е я т

5веман-а„огкрыткй

в

1696

г . )

и

электрическом

(эффзкт

йтарка,о.ткры.™ыЗ

в 1913

г . )

ш л я х .

-

чб «

•

»

3.

Теорию

Бора - Зоммерфельда

о к а з а л о с ь невозможным

приме ­

нить

д л я

количественного

объяснения химической

с в я з и .

20-30

годы

XX с т о л е т и я ,

которые

ознаменовались

значительны ­

ми успехами

теоретической

физики,

а именно, благодаря

идеям

д е Б р о й л я ,

Шредингера

и

Г е й з е н б е р г а ; в основу

теории

с т р о е - 1

ния атома

была

положена

волновая

механика,

§

б . ВОЛНОВЫЕ СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОНОВ

Cl9-2qQ

В н а с т о я щ е е

время

п р и з н а н о ,

что

о в е т обладает

как

волпо»

выы», т а к в

корпускулярными

с в о й с т в а м и , т . е . всякое излучение

обладает двойственный

корпус кул ярно-вол новым

х а р а к т е р о м .

Уравнения

ф а н к а и

Эйншгейна

связывают

к о л и ч е с т в е н н о .

массу

и ч а с т о т у

излучения

|? с энергией

Е

,

описывая

этот

дуализм

формулой:

где

// -

постоянная Планка,

*- э н е р г и я

фотона

с

массой,

эквивалентной

т ,

С - с к о р о с т ь с в е т а .

Уравнение

Е -

тс*

выражает

закон

эквивалентности

массы

и

э н е р г и и .

Но,

оно н е с в и д е т е л ь с т в у е т

о

возможности

превращения

массы в

энергию

и

тем б о л е е

материи

в энергию.

! £ с с а

и

э н е р г и я

-

лишь

с в о й с т в а

материи:

первая

я в л я е т с я

мерой

её

и н е р т н о с т и ,

вторая -

мерой движения,

поэтому

они

и не

превращаются

д р у г

в д р у г а .

^

•

Из

уравнения

( I )

~-^ШС=р

и

/П =

—j-

>

гае

р

-

момент

О

С

фотона .