Объяснение происхождения линейчатых спектров

Эффект ЗееманаЛинейчатые спектры и постулаты Бора.

Постулаты Бора позволяют объяснить происхождение линейчатых спектров испус­кания и поглощения, связывая их появление с наличием дискрет­ного ряда энергетических состояний атомов и переводами между ними.

Все атомы одного химического элемента обладают одина­ковым зарядом атомного ядра. При одинаковом заряде ядра атомы обладают одинаковым строением и потому имеют одинаковый набор возможных энергетических состояний и перехо­дов между ними. Излучение фотонов происходит при переходах атомов из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией. Поглощая фотон, атом переходит из состояния с мень­шей энергией в состояние с большей энергией.

Энергия фотона, поглощаемого атомом при переходе из основного состояния с энергией Е1 в возбужденное состояние с энергией Е2, в точности равна энергии фотона, излучаемого атомом при обратном переходе, так как и в том, и в другом случае она равна разности энергий атома в этих двух состояниях согласно правилу частот. Поэтому частоты фотонов, излучаемых веществом в газообраз­ном состоянии, в точности совпадают с частотами фотонов, поглощаемых этим веществом при пропускании через него света. Другими словами, положение линий в линейчатом спектре испускания вещества точно совпадает с положением линий в ли­нейчатом спектре поглощения этого же вещества.

У атомов разных химических элементов элек­трический заряд атомных ядер имеет различные значения, поэтому стационарные состояния их различны. Различие наборов возможных энер­гетических состояний атомов разных химических элементов приводит к различиям в их линейчатых спектрах испускания и поглощения.

Объяснение спектра атома водорода.

Может показаться, что основное содержание теории Бора сводится к тому, что загадка закономер­ностей распределения линий в спектрах элементов заменяется не меньшей загадкой рас­пределения стационарных энергетических со­стояний атомов. Но это не совсем так. Бору удалось не только предложить общий принцип объяснения происхождения спектров, но и вы­вести теоретически точные количественные зако­номерности распределения линий в спектрах атома водорода и водородоподобных ионов.

Согласно представлениям Бора, движение электронов вокруг ядра в стационарных состояниях определяется законами обыч­ной механики, для описания же процессов перехода атома ил одного стационарного состояния в другое эти законы не примени­мы, и следует воспользоваться квантовыми представлениями.

Квантование орбитального момента импульса электрона для случая круговых орбит приводит к квантованию значения радиуса возможных стационарных круговых орбит. Действительно, если в стационарном состоянии движение электрона по круговой орбите вокруг ядра определяется обычными законами механики, то можно найти связь между скоростью движения электрона н радиусом круговой орбиты стационарного состояния. Центро­стремительное ускорение при движении электрона по одной из стационарных круговых орбит в атоме водорода равно отноше­нию кулоновской силы притяжения к массе электрона.


Расчет спектра водорода был серьезные успехом теории Бора. При этом удалось объяснить происхождение различных серии в спектре водорода. Серия Лаймана, например, возникает при переходах атомов из возбужденных состоянии в основное состояние (т.е. на первый энергетический уровень), серия Бальмера — при переходах атомов из второго, третьего и более высоких возбужденных состояний в первое возбужденное состояние, т. е. на второй энергетический уровень, серия Пашена — на третий энергетический уровень.


Выполненные расчеты с использованием представлений о круговых орбитах электронов в атоме не отражают содержания современной квантовой теории. Более того, попытка соединения классических представлений (определенная траектория и скорость электрона) и квантовых идей (кванто­вание момента импульса, излучение кванта света) ведет к нераз­решимым внутренним противоречиям в теории. Действительно, если представлять атом водорода состоящим из ядра и электро­на, движущегося по круговой орбите, то, согласно классической теории, электрон должен излучать электромагнитные волны с частотой, раиной частоте его обращения вокруг ядра. Вычислим эту частоту для n-й орбиты.

Частота света v21, излучаемого при переходе из второго стационарного состояния в первое, существенно отличается от частот обращения электрона на первой и второй стационарных круговых орбитах. Следовательно, излучение света при переходе :тома водорода из второго стационарного состояния в первое нельзя описать, опираясь на классические представления о дви­жении и механизме излучения электрических заряженных частиц.

Однако развитие квантовой физики не привело к опровержению основных, фундаментальных законов классической физики — законов сохранения энергии, импульса, момента импульса, элек­трического заряда. Более того, согласно принципу соответствия, сформулированному Н. Бором, законы квантовой физики вклю­чают в себя законы классической физики, и при определенных условиях, можно обнаружить возможность плавного перехода, близкого схождения квантовых и классических представлений о свойствах микросистем. Таким образом, квантовые и класси­ческие представления взаимодополняют друг друга.

Такой плавный переход от квантовых к классическим представлениям можно увидеть, например, в случае перехода атома водорода из одного возбужденного стационарного состояния (n) в другое (m = n - 1) при больших значениях квантового числа n.

Сближение результатов квантовой и классической теорий при больших значениях квантового числа объясняется тем, что в этом случае уровни энергии квантовых стационарных состоя­ний сближаются настолько, что переход атома из одного кван­тового состояния в соседнее становится практически неотли­чимым от процесса с непрерывным пленением частоты.

Ситуация здесь аналогична той, которая имеет место в теории относительности. Там при скоростях, много меньших скорости света, в вакууме, релятивистские соотноше­ния переходили в известные формулы ньютоновской механики. Здесь же, в квантовой физике, при больших значениях главного квантового числа квантовые соотношения переходят в соотноше­ния классической электродинамики. Следовательно, ни теория относительности, ни квантовая физика не отвергают закономер­ности классической физики — они лишь указывают на границы ее применимости.