§ 29.4. Оптические атомные спектры

Атомными спектрами называют как спектры испускания, так и спектры поглощения, которые возникают при квантовых перехода* между уровнями свободны* или слабовзаимодействующих атомов.

Под оптическими атомными спек­ трами будем понимать те, которые обусловлены переходами между уров­ нями внешних электронов с энергией фотонов ' порядка нескольких

электрон-вольт. Сюда относятся ультрафиолетовая, видимая и близкая инфракрасная (до микрометров) области спектра.

Наибольший интерес представляют оптические атомные спектры испуска­ния, которые получают от возбужден­ных атомов. Их возбуждение обычно достигается в результате безызлуча-тельных квантовых переходов при электрическом разряде в газе или нагревании вещества пламенем газо­вых горелок, электрической дугой или искрой.

В § 29.1 были изложены общие соображения о спектрах атомов. Под­робные сведения о спектрах конкрет­ных атомов можно найти в специаль­ных справочниках по спектроскопии. В качестве простого примера рас-

смотрим спектр атома водорода и водородоподобных ионов.

Из формул (28.24) и (29.1) можно получить формулу для часто­ты света, излучаемого (поглощаемого) атомом водорода (Z — 1):

•. (29.15)

Эта формула была экспериментально найдена И.Я.Бальмером еще задолго до создания квантовой механики и теоретически получена Бором (см. § 28.7); г и * - порядковые номера уровней, между которыми происходит квантовый перевод.

В спектре можно выделить группы линий, называемые спек-тралъными серия. Каждая серия применительно к спектрам испускания соответствует переходам с различных уровней на один и тот же конечный (рис. 29.5).

В ультрафиолетовой области расположена серия Лаймана, которая образуется при переходе с верхних энергетических уровней на самый нижний, основной (п^ = 1). Из формулы (29.15) для серии Лаймана получаем

(я, = 2, 3,4,...), (29.16)

т.е. находим частоты всех линий этой серии. Самая длинноволно­вая линия имеет наибольшую интенсивность. Интенсивности спек­тральных линий на рис. 29.5 условно показаны толщиной прямых соответствующих переходов.

В видимой и близкой ультрафиолетовой областях спектра рас­положена серия Балъмера, которая возникает вследствие переходов с верхних энергетических уровней на второй (n/t = 2). Из формулы (29.15) для серии Бальмера получаем

(п, = 3, 4, 5, ...), (29.17)

т.е. находим частоты всех линий этой серии.

В инфракрасной области расположена серия Ношена, которая возникает при переходах с верхних энергетических уровней на третий (nfc = 3). Из формулы (29.15) для серии Пашена следует

(я, = 4, 5, 6,...). (29.18)

Существуюти другие серии в инфракрасной области.

Может показаться, что спектр атомарного водорода не ограни­чен со стороны малых частот, так как энергетические уровни по мере увеличения п становятся сколь угодно близкими. Однако на самом деле вероятность перехода между такими уровнями столь мала, что практически эти переходы не наблюдаются.

Выражение для ионизационного потенциала (15.15) можно полу­чить из (29.15), считая n/t = 1 и п, —» »:

(29.19)

Для атомного спектрального анализа используют как спектры испускания (эмиссионный спектральный анализ), так и спектры поглощения (абсорбционный атомный спектральный анализ).

В медицинских целях эмиссионный анализ служит в основном для определения микроэлементов в тканях организма, небольшого

количества атомов металлов в консервированных продуктах с гиги­енической целью, некоторых элементов в трупных тканях для целей судебной медицины и т.п.