Теоретические сведения. Излучение электромагнитной энергии, как и ее поглощение

Излучение электромагнитной энергии, как и ее поглощение, происходит в результате перехода атомной системы (атома или молекулы) из одного энергетического состояния в другое. Поглощение приводит к возбуждению системы. Состояние возбуждения является неустойчивым и длится не более 10^-8 с, после чего атомная система возвращается в первоначальное состояние.

Основываясь на гипотезе Планка о квантовом характере излучения и поглощения света, Бор сформулировал постулаты, с помощью которых были объяснены закономерности в атомных спектрах:

1. Электрон в атоме может вращаться только по строго определенным стационарным орбитам, причем момент количества движения электрона – величина квантованная:

,

где L – момент количества движения электрона; h - постоянная Планка; n = 1,2,3…. – квантовые числа, определяющие номер орбиты.

2. Вращаясь на стационарных орбитах, электрон не излучает энергии.

3. Излучение энергии происходит лишь при переходе электрона из стационарного состояния с большим значением энергии Е₁ в другое стационарное состояние с меньшим значением энергии Е₂ :

,

где hn - квант энергии.

Излучение кванта энергии происходит при переходе с внешних орбит на внутренние. При противоположном переходе происходит поглощение энергии.

В разряженных газах или парах металлов взаимодействие между отдельными атомами незначительно, поэтому спектры газов состоят из отдельных спектральных линий.

Наиболее простой спектр имеет атом водорода. Частоты его спектральных линий определяются по формуле Бальмера;

,

где l - длина волны спектральной линии;

R - постоянная Ридберга;

n_i - номер энергетического уровня атома, на который совершается переход электрона после излучения;

п_j - номер уровня. с которого электрон переходит при излучении атомом электромагнитной энергии.

Из этой формулы следует, что все линии спектра могут быть объединены в серии. Серией является совокупность линий, описываемых этой формулой, если n_i = const, т.е серия возникает при переходе электрона с вышележащих орбит на орбиту с вантовым числом

n _i = const, n_j = n_i +1, n_j = n_i + 2, …

Для водорода основными сериями являются:

n_i = 1 – серия Лаймана (ультрафиолетовая область);

n_i = 2 – серия Бальмера (видимая область);

n_i = 3 – серия Пашена (инфракрасная область);

n_i = 4 – серия Брекета (инфракрасная область);

n_i =5 – серия Пфунда.

Некоторые серии спектра водорода, в частности Бальмера, были получены экспериментально до создания теории Бора. Видимая часть линейчатого спектра водорода состоит из ряда линий, наиболее яркими из которых являются следующие четыре:

Красная H_a (n_j =3 ) ;

Голубая H_b (n_j =4 ) ;

Сине-фиолет H_g (n_j =5 );

Фиолетовая H_d (n_j =6 );

Несмотря на удачное объединение спектральных закономерностей водородоподобных атомов, теория Бора обладает рядом недостатков. В частности, она не может объяснить спектры излучения более сложных атомов и различную интенсивность спектральных линий. Эти трудности были преодолены квантовой теорией, показавшей неприменимость классических представлений к микрообъектам.

Для наблюдения спектральных линий и измерения длин их волн используется монохроматор УМ-2 со стеклянной оптикой. Принципиальная схема прибора показана на рис.21.

Рис.21

Монохроматор имеет основной частью призму 1, служащую для разложения пучка лучей по длинам волн. Так как угол отклонения луча призмой зависит не только от длины волны, но и от угла падения на призму, важно чтобы все падающие на призму лучи были параллельными. Это достигается с помощью коллиматора. Коллиматор имеет узкую щель 2, которая помещается в области коллиматорной линзы. Рассматривается спектр через зрительную трубу, состоящую из объектива и окуляра. Объектив в в своей фокальной плоскости дает много изображений щели, образованных каждым из монохроматических пучков и окрашенных в соответствующий цвет.

Эти изображения рааматриваютсмя через окуляр. В монохроматорое, служащем для для выделения монохроматического света, в фокальной плоскости окуляра помещена вторая щель 3 , выделяющая строго монохроматическую волну.