10.2. Начало новой теории спектров

Энергия связи электрона атома водорода с протоном в момент пребывания его на первом энергетическом уровне равна энергии ионизации то есть eV. Когда электрон поглощает фотон с энергией 10,20 eV и переходит на второй энергетический уровень, энергия связи его с ядром уменьшается и становится равной 3,40 eV [270], [277].

(217)

Чтобы устранить противоречие в формуле (217), было принято соглашение: считать энергию электрона в атоме отрицательной и записывать формулу (217) так [270], [277]

(218)

Однако, если учесть полную энергию электрона, то

(219)

Теперь ясно видно, что энергия электрона в атоме - величина положительная, а уравнение (219) отражает изменение только энергий связи электрона при его энергетических переходах, и минусы перед величинами 13,60 и 3,40 означают не отрицательность энергии, а процесс вычитания энергии, расходуемой на связь электрона с протоном [270], [277].

Запишем аналогичные соотношения для перехода электрона с первого на третий и четвертый энергетические уровни [270], [277].

, (220)

(221)

Из соотношений (219), (220) и (221) следует закон формирования спектра атома водорода [270], [277]

, (222)

где: - энергия поглощенного или излученного фотона; - энергия ионизации, равная энергии такого фотона, после поглощения которого электрон теряет связь с ядром и становится свободным; - энергия связи электрона с ядром атома, соответствующая первому энергетическому уровню, также равна энергии фотона.

Для атома водорода . С учетом этого математическая модель (222) может быть записана так [270], [277]

. (223)

Мы получили математическую модель закона формирования спектра атома водорода, в которую входят только частоты поглощаемых или излучаемых фотонов, то есть частоты вращения фотонов относительно своих осей. А где же частота вращения электрона вокруг ядра атома? Нет её. В математической модели закона (222) нет и энергии, соответствующей орбитальному движению электрона.

Почти сто лет мы полагали, что электрон в атоме вращается вокруг ядра, как планета вокруг Солнца. Но закон формирования спектра атома водорода (222) отрицает орбитальное движение электрона. Нет в этом законе энергии, соответствующей орбитальному движению электрона, а значит, и нет у него такого движения [270].

Нетрудно заметить, что по мере удаления электрона от ядра атома (219, 220, 221) его энергия связи с ядром изменяется по зависимости [1], [25]

, (224)

где =1,2,3,....- номер энергетического уровня электрона в атоме, главное квантовое число.

Это и есть математическая модель закона изменения энергии связи электрона с ядром любого атома. Величина , входящая в это уравнение, - энергия связи любого электрона с ядром атома, соответствующая первому энергетическому уровню. Для электрона атома водорода она равна энергии ионизации , а для электронов других атомов определяется из экспериментальных спектров по специальной методике, которую мы опишем дальше.

Поскольку спектральные линии поглощения совпадают со спектральными линиями излучения, то математическая модель закона излучения должна быть такой же, как и закона поглощения (222). Вполне естественно, что в момент пребывания электрона на первом энергетическом уровне он не излучает, так как этот уровень является для него предельным. Однако, если он находится на втором энергетическом уровне, то он может излучить фотон с энергией . Уравнение процесса излучения в этом случае запишется так

. (225)

В момент пребывания на третьем и четвертом энергетических уровнях электрон имеет энергии связи с ядром и . При переходе на третий и четвертый энергетические уровни электрон излучит фотоны с энергиями: и , и уравнения этих процессов запишутся аналогично:

, (226)

. (227)

В общем виде эти соотношения запишутся так

.

или

. (228)

Сокращая на и преобразовывая, найдем

, (229)

Таким образом, из уравнений поглощения (219), (220) и (221) и излучения (225), (226) и (227) следует одна и та же математическая модель закона излучения и поглощения фотонов электроном при его энергетических переходах в атоме водорода (222, 229).

Из (229) также следует, что энергии связи электрона с ядром атома определяются по формуле (230), аналогичной формуле (224).

. (230)

При этом в атоме водорода энергия связи электрона с ядром атома, соответствующая первому энергетическому уровню, равна энергии его ионизации .

Известно, что спектральная линия атома водорода, соответствующая отсутствует, но причина этого долго оставалась неизвестной. Дальше, при анализе спектра Вселенной, мы найдём эту причину. Она обусловлена тем, что рождающийся атом водорода остывает не сразу, а постепенно. Главные источники космического атомарного водорода – звезды. Первый контакт электрона с протоном начинается со 108 энергетического уровня. Далее, по мере удаления от звезды и уменьшения температуры среды, он ступенчато переходит на нижние энергетические уровни. Вполне естественно что, если бы градиент температуры был при этом равен разности температур, формируемых совокупностью фотонов, излучаемых электроном, в момент встречи с протоном и в момент прихода электрона на первый энергетический уровень, то электрон мог бы перейти сразу со 108 энергетического уровня на 1-й - и излучить фотон с энергией 13,598 eV и тогда появилась бы спектральная линия, соответствующая этой энергии. Но этого не происходит по причине существования значительно меньшего градиента температур между протоном и электроном в момент начала рождения атома водорода и последующего сближения его электрона с протоном.