2. Испускание и поглощение энергии атомами.

Излучение и поглощение электромагнитной энергии атомами (и молекулами) подчиняются законам квантовой механики, основные положения которой мы рассмотрели на соответствующей лекции. Согласно этой теории, состояние электронов в атомах и молекулах вещества описываются уравнением Шредингера. Решая уравнение Шредингера для стационарных состояний электрона в атоме водорода, мы получаем выводы о дискретности состояния электрона в атоме и дискретности значений полной энергии электрона. Состояние электрона, например - в атоме водорода, характеризуется шестью квантовыми числами:

1. Первое из них – главное квантовое число n = 1,2,3,….. . Оно определяет уровень энергии электрона по закону:

Е = - me⁴Z² / (8ε₀² h² n²) (формула 8)

2. Второе квантовое число – орбитальное l, которое при данном n может принимать значения 0,1,2,…….. , n – 1. Это число характеризует орбитальный момент импульса электрона относительно ядра.

3. Третье квантовое число – магнитное m_l определяет проекции орбитального момента импульса электрона на некоторые произвольно выбранные направления.

4. Четвертое квантовое число – спиновое m_s может принимать только два значения ( ½) и характеризует возможные значения проекции спина электрона.

5. Квантовое число j – орбитальное плюс спиновое – определяет дискретные значения полного момента импульса электрона.

6. Магнитное квантовое число m_j характеризует возможные проекции полного момента импульса на некоторое произвольно выбранное направление.

Еще до создания квантовой механики в 1913 году датский физик Н. Бор предложил теорию атома водорода и водородоподобных ионов, которая основывалась на ядерной модели атома и двух его постулатах:

1. Первый постулат Бора (постулат стационарных состояний): в атоме существуют стационарные (не изменяющиеся со временем) состояния, в которых он не излучает энергии. Стационарным состояниям атома соответствуют стационарные орбиты, по которым движутся электроны.

2. Второй постулат ( правило частот): при переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую излучается (поглощается) один фотон (квант) с энергией hν = E_n – E_m, равной разности энергий соответствующих стационарных состояний E_n и E_m . При E_m < E_n происходит излучение фотона, причем частота излучения определяется по формуле:

(формула 9)

где R = 3,29^.10¹⁵ с ^–1 - постоянная Ридберга.

Формулы 8 и 9, вывод которых основан на положениях квантовой механики и более ранней теории Бора, хорошо согласуются с экспериментально полученными данными по изучению спектров излучения и поглощения электромагнитной энергии атомов водорода и водородоподобных ионов. Подставляя, например, в формулу 9 m = 1 и n = 2, 3, 4….. , получим группу линий, образующих серию Лаймана и соответствующих переходам электронов с возбужденных уровней (n = 2, 3, 4….) на основной (m = 1). Аналогично, при подстановке m = 2, 3, 4, 5, 6 и соответствующих им значений n получим серии Бальмера, Пашена, Брекета, Пфунда и Хемфри. Следовательно, согласно квантовой теории (и теории Бора), количественно объясняющей спектр атома водорода, спектральные серии соответствуют излучению, возникающему в результате перехода атома в данное состояние из возбужденных состояний, расположенных выше данного.

Таким образом, как показывает квантовая теория и результаты экспериментальных исследований, атомы представляют собой весьма устойчивые образования, характеризующиеся линейчатым спектром излучения и поглощения.