ОПТИКА И СТРОЕНИЕ АТОМА. ЭЛЕМЕНТЫ ФИЗИКИ АТОМА

Руководство к лабораторным работам 315, 316

1. Экспериментальные данные о спектрах излучения

Эксперименты показывают, что при нагревании различных чистых веществ (см. таблицу Менделеева), вещества испускают электромагнитное излучение различных частот или длин волн. Набор излучаемых частот или длин волн (частоты и длины волн связаны через скорость света в вакууме соотношением ν = c/λ ) называют спектром излучения. Для каждого вещества он оказался спецефичным и по нему можно определять тип чистого вещества и его наличие в смесях различных веществ. Этот метод изучения строения вещества называется оптическим спектральным анализом. Обычно, в спектральных аппаратах излучение наблюдается в виде соответственных цветных линий, поэтому говорят о “линиях спектра”. Например было обнаружено, что спектр атома водорода в видимой области состоит из дискретного набора частот (длин волн), которые располагается в опре­деленном порядке (Рис.1)

Спектр излучения атомов водорода

Рис.1. Спектры излучения атомов в видимом диапозоне (длины волн даны в нанометрах).

Излучаемые спектры веществ наблюдаются также в инфракрасной и ультрафиолетовой об­ластях частот. Спектры де­лятся на линейчатые, полосатые и сплошные в соответствии от структуры “линий” спектра. Линейчатые спектры сос­тоят из отдельных частот (как у водорода), образованных вследствие излучений одноа­томных газов и паров металлов. Полосатые спектры, характерны для многоатомных молекул, они образованы большим числом отдельных частот. Сплошные (непрерывные) спектры принадлежат нагретым жидкостям и твердым веществам (спектр Солнца тоже непрерывный). Все три вида спектров обусловлены особенностями энергетичес­кого состояния электронов в атомах и молекулах вещества.

Рассмотрим спектр простейшего атома - атома водорода. Спектральный анализ показал, что спектр атомов водорода состоят из нескольких серий. У атома водорода было обнаружено несколько серий частот излучения, наиболее известные описываются формулами для частот:

серия Лаймана для ультрафиолетового излучения,

серия Бальмераа для видимого излучения, (1)

серия Пашена для инфракрасного излучения,

здесь R-постоянная Ридберга, n – номер частоты (номер линии спектра излучения) в серии. Кроме серии Пашеиа в инфракрасной области спектра были обнаружены серии Брэккета, Пфунда. Анализ всех экспериментальных данных позволил установить обобщенную эмпирическую формулу, называемую формулой Бальмера-Ритца, которая описывает значения всех частот (положение всех спектральных линий) атома водорода на шкале частот:

(2)

где n – номер серии, m – номер линии в спектре. Для серии Лаймана n = 1, а частоты соответствующих спектральных линий могут быть определены по формуле (2) при m = 2, 3, …; для серии Бальмера n = 2, m = 2, 3, … , часть линий серии Бальмера лежит в видимой области спектра и поэтому доступна визуальному наблюдению; частоты спектральных линий серий Пашена. Брэккета, Пфунда также могут быть вычислены по формуле (2) при n = 3, 4, 5 соответственно.