Landsberg-1985-T3
.pdfучаствующих в процессе. Построены генераторы и уси
лители, действующие в диапазоне коротких радиоволн,
инфракрасного, видимого и ультрафиолетового света *).
Так как при излучении света атомы переходят с верх
него уровня на нижний, генерация приводит к быстрому уменьшению избытка населенности верхнего уровня. Если
не восполнять уменьшение, то действие генератора прекра тится, как только избыточная населенность снизится до
некоторого предельного уровня.
Изложенные принципы были осознаны и реализованы
только спустя 3-4 десятилетия после открытия Эйнштейном вынужденного излучения **). Причина этого кроется в
необычности состояния, когда большая часть атомов на ходится на верхнем уровне. В обычных условиях всегда
наблюдается обратное положение - сильнее заселен ниж ний уровень. Это связано с тем, что для перехода с нижнего
уровня на верхний атому надо сообщить порцию энергии,
равную разности уровней W - W', тогда как для обрат ного перехода подвода энергии не требуется. При низких
температурах только ничтожная доля атомов обладает ки
нетической энергией, большей W - W'. Поэтому возбуж
дение атома при атомных столкновениях является исклю
чительно редким событием, и все атомы находятся на ос
новном уровне. Это проявляется в хорошо известном фак те - холодные вещества не светятся. С повышением темпе ратуры населенность возбужденных уровней возрастает и
появляется свечение.
При очень высоких температурах, когда кинетическая
энергия атомов много больше W - W', энергия, необходи
мая для возбуждения атома при атомных столкновениях, становится легко доступной. В этих условиях населенности уровней выравниваются. Однако добиться, чтобы верхний уровень стал более населенным, чем нижний, нагревом нель зя. Этого можно достигнуть только с помощью специаль
ных метQll.ОВ, один из которых мы рассмотрим сейчас при
описании оптического квантового генератора на рубине.
Рубин - кристалл окиси алюминия А1 2Оз (корунд),
содержащий небольшую примесь окиси хрома. Для работы
*) Для этих приборов употребляют также названия лазер (мазер) сокращения английских слов в фразах «Light (Microwave) Amplification
Ьу StimuJated Еmissiоп of RаdiаtiоП», т. е. «усиление света (микроволн)
при помощи индуцированного излучения».
**) Толчок этому дали исследования нескольких групп физиков
в СССР (Н. г. Басов, А. М. Прохоров, В. А. Фабрикант), США и Ка
наде.
484
квантового генератора используются энергетические уров
ни атомов (точнее ионов) хрома, ВХОДЯЩIIХ в рубин; схема
этих уровней представлена на рис. 363. Ос?ещая кристалл
зеленым светом, можно перевести атом хрома с основного
уровня 1 на уровень 3. С уровня 3 атом в большинстве слу чаев переходит на уровень 2, безызлучательным переходом,
отдавая энергию кристаллической решетке корунда, а уже
с уровня 2 - на уровень 1. Скорость переходов 3-'!>-2 в
тысячи раз больше скорости перехода 2-+1. Благодаря это
му атомы «Оседают}) на уровне 2. Если кристалл освещать
зеленым и синим светом очень большой интенсивности, то на уровень 2 можно перевести больше половины атомов
хрома, содержащихся в крис
тал!те, т. е. получить то «неес- |
о' |
||||
тественное» соотношение насе |
|
||||
ленностей |
уровней, |
которое |
---~!!!Io,---2 |
||
нужно для работы |
квантовых |
|
|||
генераторов. Гидравлическая |
|
||||
аналогия |
метода |
оптической |
|
||
«накачки» для создания избы |
|
||||
точной населенности |
на воз |
1~---------~~-- |
|||
бужденном уровне |
изображе- |
||||
|
|||||
на на рис. 364. |
|
|
Рис. 363. Схема энергетических |
||
уровней атома хрома в рубине
Устройство рубинового ге-
ю,:ратора показано на рис. 365.
«Накачивающая» вспышка зеленого и синего света возникает
при разряде конденсатора 1 через импульсную газоразряд
ную лампу 2, помещенную в отражающем кожухе 3. Лампа в виде спирали окружает рубиновый стерженек 4 со строго
плоскопараллеЛЬНЫ!\fИ отполированными торцами, на ко
торые нанесены зеркальные слои. Как только под дейст
вием «накачивающей» вспышки на уровне 2 (рис. 363) на· копится достаточный избыток атомов по сравнению с уров нем 1, возникает рассмотренный ранее процесс генерации света с частотой, соответствующей разности уровней 2 и 1
(красный свет с длиной волны около 690 нм). Через один из
своих торцов (покрытие которого сделано слегка прозрач
ным) рубин испустит при этом узкий красный луч. Jlуч бу
дет в высокой степени параллельным, тю, как генерация
происходит на волнах, многократно проходящих вдоль
кристалла, отражаясь от зеркал на его концах, т. е. рас
пространяющихся перпеНДИКУJlЯРНО к торца,,! рубинового стержня (рис. 365). Очевидно, что излучение такого лазера
будет продолжаться только во вре~\ля разряда конденсатора
1 через газоразрядную Jlампу 2, т. е. такой лазер будет
485
работать в импульсном режиме. При ином механизме воз буждения возможно обеспечить непрерывную генерацию света лазером. Особенно легко это осуществляется с газо
выми лазерами.
z
|
--------- |
оо) |
О) |
Рис. 364. Гидравлическая аналогия метода оптической «накачки» для создания избыточной населенности lIа возбужденном уровне. Высота
столба воды в баке 2 возрастает при работе насоса 4 до тех пор, пока ие станет достаточной, чтобы «протолкнуть» всю доставляемую насосом поду через узкую сливную трубу. Работа насоса а) С ма.'IОЙ и б) с бо.'Ib шой производительностью. В этой ана.'IОГИИ бз)(и 1, 2 и 3 играют роль
уровней атома хрома в рубине, высота сто.1БОI1 ПО.1Ы - ро.1Ь населен
ностей уровней, насос - рО.1Ь источника «накачивающего» зе.l€НОГО
спета
Очень важным свойством излучения квантового генера тора является его когерентность (см. §§ 44 и 124): световые
|
|
|
|
волны, испускаемые разными участ |
|||
|
|
|
|
ками светящейся поперхности гене |
|||
|
|
|
|
ратора, находятся в одной фазе; |
|||
|
|
|
|
колебания |
являются праВJIЛЬНЫМII |
||
|
|
|
|
в том смысле, что |
их частота по |
||
|
|
|
|
стоянна, а |
фаза не испытывает не |
||
|
|
|
|
регулярных изменений. В этом от |
|||
Рис. 365. Устройство оп |
ношении квантовые генераторы на |
||||||
много превосходят все другие источ |
|||||||
ТИ'fеского генератора на |
|
|
|
||||
рубине: 1 - |
конденсатор, |
ники света и, по существу, не отли |
|||||
2 - |
газоразрядная лампа, |
чаются от обычных генераторов ра |
|||||
3 - |
отражающий |
кожух, |
диоволн. |
Когерентность, правиль |
|||
4 - |
рубиновый стержень, |
ность излучения квантового генера |
|||||
5 - |
источник питаfJИЯ, |
||||||
тора, обусловлена тем, что вынуж |
|||||||
служащий |
для |
зарядки |
|||||
|
конденсатора 1 |
денно испущенный |
свет строго сог- |
||||
486
ласован' с вынуждающим светом, неотличим от него. Пра
вильность излучения квантового генератора настолько ве
лика, что с некоторыми типами таких устройств удается на
блюдать интерфереНЦIIЮ пучков света, испускаемых двумя
независимыми генератора. Как отмечено в § 124, с обычными источниками света такой результат не может быть ПО"учен.
Когерентность, МОНОХРОl\!аТIIЧНОСТЬ и направленность (коллимация) излучения квантовых генераторов позволя
ют с по~ющ[)ю собирающих линз фо]<усировать излучение
на ~Iалую П.lощадь раЗ1>lерmл лоряд!<а !шадрата ДсlJlНЫ ВО,1-
НЫ спета. Концентрация энеРГI!И в фОI<усе оказывается
J!aCTO.1IoKO (;о.lЫIIOЙ, что .'1)'ч рубинового генератора, сфо
кусироваIIНЫЙ lIa ста,lЬНУЮ П.lаспIНКУ, ~IrHoBeHHo прожи гает в IIei-i ТОIIчайшее отверстие.
Эт][ же свойства квантовых генераторов ПОЗВО.1ЯЮТ пред
видеть шюгие другие ПРИlllенения, напрюн'р Д,1Я передачи
энерГ!!l1 11 Д.;:!я связ)! на бо.1Ь- |
?N,I " е, |
',,"/'<' |
ШJ1е раССТОЯIIИЯ, ВЛ.10ТЬ до ~
Jюс\шчеСЮIХ, ЭТlI перспекти- ~',
ВЫ оGъясняют БО.1ЫIIlIе усилия
физиков 11 теХНИКОR, нзправ
.'1енные на да,']Ь!Iейшее овер
шеНСПЮВ,lJIJlС кваlIТОВЫХ гене-
раторов,
ЭiillШТСЙН |
np!!]I]c.'! к ВЫВОДУ о |
/"." .,' |
||
Рис 366. Пояснение В')ЗНIJ]{НО- |
||||
с\,]]\еСТВОВ;JНIIИ |
lШНУЖllеНIIОГО |
из- |
||
л'учения IlYTeM |
Р;Jссуждениii, |
I1дею |
вения вынужденного излучения |
|
которых упрощеНIIО МОЖIIО изло,
жин слеД\'ЮЩI1М образом, Рассмотрим непрозраЧ!lЫЙ сосуд с двумя от
веРСТl]ЯМ]I'j ]1 2. 1I;Jlюлнен]шй газом н помещенный в термостат (рис. 366).
Пусть во всех частях CHCTNlbl установилась одна п та же температура.
В 'да.%неiiшем тсмпеР;Jлра внутри сосуда сама собой изменяться не мо
жет, T;JK K;JK ILMl создаНI1Я раЗНОСТlI температур (т, е. переноса тепла от
ХОЛОДIЮГО тела к ГОI'ЯЧОIУ) НУЖIIО З;Jтратить работу (см, том 1, гл, Х IX). Так K;JK lIагретый термостат светится. в lIем присутствует излучение. Ин теllСНВIIОСТЬ пучка IJЗЛУ'lення, входящего в сосуд через канал J, должна
равняться интеНСИШIOСТI1 пучка: выходящего из ]{анала 2. В противном
случае в сосуд будет вносип,ся (I1ЛИ выноситься) энергия и температура
внутри него будет изменяться, чт(] невозможно, Но атомы газа внутри
соё\'да, II;Jходящнеся на нижнем энергетическом уровне; поглощают свет резонансной частоты, Qслабляя излучение. выходящее через отвер
стие 2, СледоватеЛLНО, это поглощение ДОЛЖIIО компенсироваться излу чением, Спонтанное ИЗЛУ'lение атомов, Н;JХОДЯщихся на верхнем уровне.
не может даТи полной ]{омпеНС3ljИИ,
ДеЙСТIJителыlO, при упеЛИ'lении температуры интенсивность спон
TallllOro ИЗЛ\"lеlШЯ перестает возрастаТL после того, как населенности
ОСРХllего и l!ижнего УРОВllей сравняются, В то же время интенсивность
теплсвого свечеllИЯ с нагревом возраст~ет неогрэничснно; пропорциона.1Ь
но растут интенсивность пучка CBeT~, вхо"ящего в сосуд, и число погло
щзеi\!ЫХ в секунду квантов, Поэтому при очень.высокоЙ температуре спон-
487
таlillое J:ЗЛУЧCfJне можно не принимать во внимание. Отсюда следует, Что ДО,1ЖНО с} Щi'стnовать излучение той же резонансной частоты, пропор
J\иоrrа.1J,JЮС СН.1е света в пучке, и при равной насе.'Iенности атомных уров
ней в TO"iJOCTH компенсирующее пог.'Iощение. Это и есть вынужденное
ИЗ.1учение.
§ 206. Атом водорода. Своеобразие законов движения элект
рона в атоме. Существование дискретных энергетичеСК!lХ ypoBHei\ 5lВляется фундамента.1ЬНЫ:>'! свойство:>,! атоыов (так же юн; и ;'1O.'leKY,l, и атомных ядер).
ПОf1роGуе~1 прю!енить известные нам законы ф!!ЗИКlf, чтобы ГlрсдсташlТЬ себе устройство аТОт\lа, объясняющее дис КР0НОС:ТЬ ЕГО энергетических уровней.
РаrС\ЮТРЮI IIростейший из aTO:VIOB - атоы водорода. По РНДI<ОIJЫii Ho:\lep водорода в периодической системе эле-
7IlеlПОВ рзвеII единице, следовательно, водородный атом состонт из llO,10Жlпельного ядра, заряд которого равен +е,
11 о Д н о г о Э.Iс!,;трона. )vlежду ядром и электроном деи стпует Cl~,13 притяжения зарядов. Наличие этой силы обес
пеЧIJВзет раДIf3,lЫIOС (центростреJ\lительное) ускорение, бла
годаря чему .1егкиЙ электрон вращзется вокруг тяжелого
ядра по круговой или эллиптической орбите точно так же, кзк П,lзнета ВР3Lцастся вокруг Со.1нца под влиянием силы
ТЯГОТСIIIIЯ. РазmlЧНЫМ возможным состоянш:ш атома соот ветствует. Т3КШI обрззоы, различие в размерах (и фОР~lе) орбиты электрона, вращающегося вокруг ЯДр3 *).
Энергия э.lектронз в зтоые слагается из Кинетической энерГИII ДВJlжеIIl151 110 орбllте и потенциальной энеРГllИ в
ЭЛСJпричеСКG:\1 ПО,1С ядра. Можно ПОJ(азать (см. в конце
пзрзграфа), что Эllергия электрона на круговой орбите, а
следователыI,, И ЭНСРГИЯ атома в цеЛОl\! зависят от рздиуса
oрnиты: лtеНbluе_llУ радиусу орбиnZbt соответствует Jtеныuая
энергия allUbllй. Но, как ыы ВIIде.1И в § 204, энергия атоыа l\1Ожет ПРИНН!llать не любые, а ТО.1ЬКО о п Р е Д е .1 е н н ы е
и 3 б Р а 11 н Ы с 3 Н а ч е н и я, Так J(3K энергия опреJ.е
,'!ястся Р3ДИУСО\1 орбиты, то каждочу энергетичеСКО\lУ УРОВ
ню |
аТО,\1а отвечает орбита о П р |
е Д е .1 е н н о г о и з - |
б Р |
а 11 11 О Г О Р а Д и у с а. |
орбит электрона в aTO'.Ie |
|
КЗРТJша ВОЗ~IOЖIIЫХ круговых |
водорО,l,а изображена на рис. 367. OCHOBHO'.IY энергетичес
KO\IY УРOIJI/Ю aTO~I3 соответствует орбита наименьшего ра
ДI!\'СЗ,
- Hop:\!a.lblIO Э.1СКТРОН находится на этой орбите. При
сообщеНIIИ достзточно боЛ[,шой порции энергии электрон
$) в )1a,nblH~iiuHJX рассужденинх будем считать все орбиты круго
вьщи; это упрощение не повлияет на выводы.
488
переходит на другой энергетический уровень, т. е. «перес
какиваеТ» на од!!у lIЗ внешних орбит. Как У1\азывалось, в
таком возбуждешIO~[ СОСТОЯНlJl! атом неустоЙчив. Через
некоторое время эле1\ТРОН переходит на более низкий уро
вень, т. е. «переСJ<акивает» на орбиту меньшего радиуса.
Переход blleKTpOHa с дальней орбиты на ближнюю сопро
вождается испускаlIJlеJ\[ светового кванта.
Итак, из ядерной ",!Одели aTOJ\la и дискретности его энер гетических уровнеН BbIteI-..:ает существование избранных, «разрешенных», орбит Э.1СIпрона в aTO:>.Ie. Встает вопрос,
ПОЧбlУ э.1ектрон не ыожет вращаться вокруг ядра по орбите
про и з в 0.1 Ь Н О Г О ра;I,иуса. В
ЧБI физичеCJюе раЗ.1Ilчие дозво
.1енных и неДОЗБО.1енных орбит?
Законы l\Iеханики и Э.1С~ктри
чества, знаКШ.lые НЮI нз пре
дыдущих разделов учебника (сы.
тома 1, II), не дают на этн во!! росы Нlшакого ответа. С точки зрения этих законов все орби
ты совершенно равноправны.
Существование выделенных ор
бит про т и в о р е ч и т этим
законам.
Не менее разитеЛЬНЫI\l про
тиворечием известным ИЮI зако
Рис. 367. Возможные орбиты
электрона Б атоме водорода:
радиус орбит возрастает про· lJорциона.1ЬНО n2 , т. е. в ОТ IIошении 1: 4 : 9 : 16 и т. д.
нам фИЗИJш является у с т о й
ч и в о с т ь aTO:-'Iа (в ОСНОВIIШI состоянии). Мы знае:-'I, что всякий заряд, ДВИЖУЩlIiiся с ускореИИБI, из.1учает
Э.lектромагнитные ВО.1НЫ. Э.lеКТРО!l!аГШlТное ИЗ.lучение уно
сит с собой энергию. В aTOl\!e Э.lектрон движется с большой скоростью по орбlIте :'Ilа.10ГО раДlIуса Н. с.lедовательно,
обладает ОГРo:VШЫ:VI центрострештелыIi\I! ускорениеl\I. Сог
ласно известным нам заКОIIам электрон должен терять
энергию, излучая ее в виде Э.'JE~ктроыагнитных волн. Но,
как было указано выше, если электрон теряет энергию, ра
диус его орбиты уменьшается. Следовате.'1ЬНО, электрон не может вращаться по орбитс постоянного радиуса. Расчеты
показывают, что в результате уменьшеНI1Я радиуса орби ты из-за излучения э.1ектрон должен был бы упасть на ядро
за стомиллионную долю секунды. Этот вывод резко проти
воречит нашему ежедневному опыту, который свидетель
ствует об устойчивости атомов.
11"таl<, существует про т и в о р е ч и е Т\lежду ;I,анны:-,ш
о строении атома, ПО<lученными из ЭКСIIеРИ:Vlента, и между
489
основными законами механики и электричества, также най
денными на опыте.
Но не следует забывать, что упомянутые законы найдены
ипроверены в экспериментах с телами, содержащими очень
бо л ь ш о е количество электронов, б о л ь ш о е коли
чество атомов *). Мы не имеем основания считать, что эти
законы применимы к движеН\lЮ отдельного электрона в
атоме. Более того, расхождение между поведением электро
на в атоме и законами классической**) физики
указывает на неприменимость ЭТИХ закопов к атомным яв
лениям (см. также § 210).
Выше мы ИЗЛОЖJIЛИ так называемую планетарную .МО
дель атома, т. е. представление об электронах, вращающихся
по раз реш е н н ы м орбитам вокруг атомного ядра ***). При обосновании планетарной модели мы пользовались
законами классической физики. Но, как уже ОТ:-'1ечалось и как !\1Ы увидим подробнее в § 210, движение электрона в aTo~!e относится к области явлений, в которой К.1ассичес
кая мехаНИI{а неПРИ!\1енима. НеУДl!вительно поэтому, что бо.1ее глуБСjJ{ое изучение «МИКРО~lИра» показало неполноту,
грубую приближенность планетарной модели; действитель ная картина атома сложнее. Все же эта моде.1Ь отражает
пр а в и л ь н о многие основные свойства атома, и поэто му, несмотря на приближенность, ею иногда пользуются.
Рассмотрим зависимость энергии атома водорода от радиуса элект ронной орбиты. Кинетическую энеРГI!Ю движения электрона по орбите
радиуса r мы определим из того условиrr, '!то центростремительное уско
рение и2/г обеспечивается силой КУЛОJJОГ,ОГО притяжения зарядов ke2/r2
(в системе СИ k = 1/4шu). ПрираВllиг,аrr ускорение ke2 /mr2 , создаваемое этой силой, центростремительному ускорению и2/г, найдем, что кине тическая энергия электрона ти2/2 о б р а т 11 О пропорциональна ра диусу орбиты, т. е. ти2/2 = ke 2 /2r.
Выделим две орбиты радиуса г+а и г-а. Кинетическая энергия вра
щения Э.lектрона на второй орбите больше, чем на первой на величину
ke2 ke2 kae2
2(г-а) 2 (г+а) = r2 -аZ '
Если орбиты недалеко отстоят ОДllа от другой, то a~г и а2«г2• По
этому в знаll!енате.lе можно преllебречь величиной а2, и разниЦа кине
тических энергий будет приб.lижеНI!О равна kae2/r 2 •
*) Такие те.lа называются макроскоnическимu.
**) Под законами классической физики мы понимаем зако
ны, установленные для тел макроскопических размеров, хотя в некото
рых случаях (жидкий гелий) кваНТОЕые явления проявляются и в макро
скопических масштабах.
***) Планетарная модель атома была обоснована Э. Резерфордом и Н. Бором в 1913 г,
490
Потенциальная энергия электрона, напротив, больше на первой, далекой орбите, ибо для удаления электрона ОТ ядра нужно совершить р~боту против сил электрического притяжения, действующих между
электроном и ядром; эта работа идет на увеличение потенциальной
энергии.
Пусть электрон переводится с ближней орбиты на дальнюю по радк альному пути. Длина пути равна (г+а)-(г-а)=2а. Электрическая сила
вдоль этого пути непостоянна по модулю. Но так как орбиты близки одна
к другой (а<{г), можно Д:IЯ приближенного вычисления работы исполь
зовать значение силы на среднем расстоянии электрона от ядра, равном
(г+а)+(г-а)
2 = г. По закону Кулона сила есть ke2/r2, а работа на пути
2а, равная приросту потенциа'1ьноir энергии, будет равна k·2ae2/r2 •
Таким образом, при переходе электрона с дальней орбиты на ближ
нюю уменьшение его потенциальной энергии равно удвоенному приро сту кинетической энергии. Мы доказали эту теорему для близких орбит, расстояние между которыми удовлетворяет условию 2а<{,. Суммируя
измеиения энергии электрона при переходах между последовательными
парами близких орбит, убеждаемся, что теорема справедлива и для сколь Ъ'годно удаленных орбит.
Рассмотрим теперь бесконечно далекую орбиту, т. е. Г-+ОО. Потен циальную энергию электрона на ней примем за начало отсчета потен
циальной энергии, т. е. положимWп (,=00)=0. Кинетическая энергия
тv2J2=ke2/2r обращается при г= 00 в нуль; при переходе с орбиты г=00 на конечную орбиту радиуса г она возрастет на величину ke2/2r. Потен
циальная энергия уменьшится на вдвое большую величину (ke3/r), т. е.
е2 |
е2 |
W(r)= Wп(г= oo)-k-=O-k-. |
|
r |
г |
е2 |
(206.1) |
W(r)=-k-. |
|
г
Полная энергия электрона равна, Следовательно,
2+mи W(r)=k е22, - k,=е2 - k 2rе2 ,
она тем меньше (знак минус!), чем меньше радиус орбиты.
§ 207. Многоэлектронные атомы. Происхождение оптиче
ских и рентгеновских спектров атомов. Точно так же, как
и в атоме водорода, в более сложных атомах электроны мо гут двигаться вокруг ядра только по определенным избран ным орбитам. Различные экспериментальные данные ука зывают, что возможные орбиты электронов в атоме группи
руются в систему оболочек. Грубо схематически можно
представить себе эти оболочки в виде концентрических сфер,
окружающих ядро (рис. 368). Каждая из оболочек содер жит определенное число орбит, на каждой из которых мо жет находиться только о Д и н электрон. Оболочка наимень шего радиуса, называемая К-оболочкой, содержит две ор биты. На второй оболочке - L-оболочке - имеется восемь
491
орбит. Столько же орбит на следующей оболочке -третьей.
Далее идет четвертая оболочк<! с 18 орбитами и т. д.
Как указано в предыдущем параграфе, при переходе элеюрона с орбиты большего радиуса на орбиту меньшего
радиуса выделяется энергия. Электрон, находящийся на
внешней оболочке, обязательно «перескочит» на внутрен
нюю, если толы\О на ней И:llеется свободная орбита. Поэто
му в невозбуждеI1НО~( ]\ШОГОЭ.lеКТРОННОl\! атоме ВСС электро
ны сосредоточены на I3нутрешшх орбитах.
Рис. |
368. Условная |
схема |
Рис. 369. Схема атома натрия: |
||
электронных оболочеЕ атома: |
светлый кружок - |
ядро ато |
|||
число |
черных |
точеЕ |
равно |
ма, черные точки - |
электро |
наибольшему |
во:шожному |
ны. Заполнены все места на |
|||
числу элеКТРOffОВ на обо- |
К- и L- оболочках и один элеЕ |
||||
|
лочке |
|
трон находится на |
третьей |
|
|
|
|
|
оболочке |
|
- Рассмотрим, наПРlIмер, элеIент с порядковым номером 11- н а т р и й. Заряд атомного ядра натрия равен Ze= = 11 е. Атом натрпя содержит 11 элеюраназ: 10 из этих элек тронов заполняют все наличные орбиты на К- I! L-оболоч ках, а последний l1-й электрон находится на третьей обо лочке (рис. 369).
Внешние электроны атома связаны с ядром значительно
слабее внутреН!IИХ. Во-первых, они находятся на гораздо большем раССТОЯН}f1! ОТ ядра. Во-вторых, сила притяжения
внешних Э.1еКТРОI1013 n о Л о ж и т е Л ь н ы м ядром в
большой СТСllени компенспруется оттаЛЮIВанием со сто
роны о т р и IL а т е л ь н ы х электронов, расположенных
на внутренних обо.10ЧЕах. Как показывают измерения, чтобы оторвать от атома один нз внешних электронов, нуж на энергия от 5 ;:(0 20 эВ в зависимости от рода аТО:'>lа. Д.1Я того чтобы перевести какой-либо внешний электрон на одну из более далеких оболочек, не отрывая его от атома (т. е.
492
для возбуждения атома), достаточна еще меньшая энергия.
При ВОЗВf18щении такого электрона на более близкую к
ядру обо,IН')ЧКУ будет испущен световой квант с энергией, не превышающей 5-20 эВ, т. е. с длиной волны, лежащей
в области видимого или ультрафиолетового света. Испус
кание света в о п т и ч е с к и х областях спектра связа
но, таким обраЗО\1, с поведением в н е ш н и х электронов
атома,
Для отделения от атома внутренних электронов нужна гораздо большая энергия, быстро растущая с увеличением
заряда атомного ядра. Так, чтобы вырвать электрон из К·
оболочки, нужна энергия около 1,1 кэВ для натрия (Z=11),
свыше 9 кэВ для меди (Z=29), около 70 кэВ для вольфрама
(Z=74). Переход электронов с L-оболочки и следующих за ней оболочек на свободное место в К-оболочке приводит
поэтому к испусканию к в а н т о в большой энергии (с ма
лой длиной волны), с о о т в е т с т в у ю щей р е н т
г е н о в с I< О М У и з л у ч е н и ю.
Ранее уже указывалось, что рентгеновское излучение
представляет собой электромагнитное излучение, возникаю
щее при резком тор~южении электронов в веществе (тормоз
ное излучение). Теперь мы видим, что существует второй ме
ханизм испускания рентгеновского излучения, состоящий в
следующем. Электронная бомбардировка анода в рентге
новской трубке приводит к вырыванию электронов из
внутренних оболочек атомов, составляющих анод. На освободившиеся места переходят электроны из внешних
оболочек тех же атомов; при таких переходах испускается
рентгеновское излучение, получившее название характе
ристического рентгеновского излучения данного атома.
Итак, испускание р е н т г е н о в с к о г о излучения ато
мами связано с в н у т р е н н и м и электронными оболочка
ми атомов. Изучение рентгеновских спектров дало поэтому ценные сведения о строении внутренних электронных обо
лочек атомов.
§ 208. Периодическая система элементов Менделеева. Пе
риодический закон изменения химических свойств эле
ментов, открытый Д. И. Менделеевым, является отраже нием глубоких закономерностей строения атомов; он имеет
поэтому первостепенное значение не только для химии, но
и для физики. Правильная теория строения атома должна согласовываться с законом Менделеева, т. е. должна объяс
нять закономерности в химических свойствах элементов,
493
