Уровни энергии в атоме
По
боровской модели ядро атома считается
неподвижным, поэтому полная энергия Е
атома является суммой кинетической
энергии
вращения электрона и потенциальной
энергии
взаимодействия электрона с ядром:
где
отсюда получим:
;
;
(8)
или:
где Z – заряд ядра.
В (12) полученное значение Е отрицательно, т.к. значение потенциальной энергии 2-х зарядов, находящихся на бесконечно большом расстоянии, мы полагаем равным нулю. При сближении зарядов потенциальная энергия уменьшается.
Наименьшей энергией атом обладает при n=1 (из (12)). В этом случае говорят, что атом находится в основном энергетическом состоянии. Состояния с n>1 называются возбужденными.
На любом энергетическом уровне энергия:
(13)
Наименьшая энергия (при n=1) основного состояния атома водорода:
(14)
Линейчатые спектры
При переходе (перескоке) электрона с одного энергетического на другой согласно второму постулату Бора, выделяется или поглощается квант энергии:
(15)
Если
электрон переходит, например, со второй
орбиты (n=2) на первую (m=1),
то выделяется
квант
энергии. В обратном случае такой квант
энергии поглощается. Значит, максимальную
энергию атому водорода нужно сообщать
для того, чтобы перевести электрон на
орбиту с (n=1)
на
(
),
т.е. оторвать его от ядра атома (ионизировать
атом).
(16)
(17)
Формулы (16) и (17) называются сериальными.
Видно, что выражение (16) представляет собой формулу Бальмера.
(18)
R
– постоянная Ридберга (
)
|
Вильгельм Конрад Рентген |
Рентгеновское излучение
Рентгеновским
излучением называют ЭМВ с длиной волны
нм.
Наиболее
длинноволновое рентгеновское излучение
(РИ) перекрывается коротковолновым
ультрафиолетовым, коротковолновое –
длинноволновым
-излучением.
По способу возбуждения рентгеновское излучение подразделяется на тормозное и характеристическое.
Тормозное РИ возникает из-за замедления, которое электроны испытывают при торможении в веществе. Оно имеет непрерывный спектр, имеющий коротковолновую границу. Существование такой границы следует из того, что энергия излучаемого фотона не может превысить энергию электрона, торможение которого вызывает излучение. Электрон с зарядом приобретает свою энергию за счет ускорения электронным полем с разностью потенциалов U, поэтому энергия равна eU . Значит, должно выполняться условие:
(19)
Тормозное РИ было обнаружено немецким физиком В. К. Ренгеном (1845-1923) в 1895 г. В 1901 г. за открытие РИ ему первому среди физиков была присуждена Нобелевская премия.
В 1906 г. английский физик Ч. Баркла открыл РИ со спектром, имеющим резкие пики при длинах волн, зависящих от химической природы вещества облучаемой электронами мишени.
Такое рентгеновское излучение названо характеристическим.
Характеристическое РИ характеризуется линейчатым спектром, который возникает вследствие того, что ускоренные электроны проникают вглубь атома и из внутренних слоев выбивают электроны.
На свободные места переходят электроны с верхних уровней, в результате высвечиваются фотоны характеристического излучения.
Если выбивается, например, электрон из К-слоя, то на вакантное место переходит электрон из какого-либо более удаленного от ядра слоя. В результате возникает К-серия. Аналогично образуются и другие серии (L, М и т. д.)
Количественные исследования характеристического излучения были проведены английским физиком Г. Мозли в 1913 г.
(20)
- частота спектральной линии;
Z - атомный номер испускающего элемента;
С
и
- постоянные.
Обычно закон Мозли формулируется так:
Корень квадратный из частоты является линейной функцией атомного номера химического элемента.
Закон Мозли показал, что между водородом и ураном должно существовать ровно 92 типа атомов с различными атомными номерами, и тем самым точно указал число еще неоткрытых элементов в начале 20-го века.
Он также устранил всякие сомнения в правильности размещения тех элементов, которые были расположены Менделеевым.в порядке, не согласующемся со значениями их атомных весов (Ar-К, Со - Ni, Те - J). К тому же Мозли впервые показал, что не атомный вес, а атомный номер, равный зарядовому числу ядра, определяет химическую индивидуальность атома. Этот вывод подтвердило открытие изотопов.
Литература:
И. И. Наркевич и др. Физика. - Мн.: Изд-во ООО «Новое знание», 2004.
В. Ф. Дмитриева. Физика. - М.: Изд-во «Высшая школа», 2001.
Р. И. Грабовский. Курс физики. - С. Пб. - М. - Краснодар: Изд-во «Лань», 2006.
А. Н. Ремизов. Курс физики, электроники и кибернетики. - М.: Изд-во «Высшая школа», 1982.
П. С. Кудрявцев. Курс истории физики. - М.: Изд-во «Просвещение», 1974.