Закономерности в атомных спектрах

Изолированные атомы в виде разреженного газа или паров металла испускают спектр, состоящий из отдельных спектральных линий. В соответствии с этим спектр испускания атомов называется линейчатым. На рис.1.1 показан спектр испускания паров ртути. Такой же характер имеют и спектры других атомов.

Рис. 1.1

Изучение атомных спектров послужило ключом к познанию строения атомов. Прежде всего было замечено, что линии в спектрах атомов расположены не беспорядочно, а объединяются в группы или, как их называют, серии линий. Отчетливее всего это обнаруживается в спектре простейшего атома — водорода. На рис.1.2 представлена часть спектра атомарного водорода в видимой и. близкой ультрафиолетовой области. Очевидно, что линии располагаются не беспорядочным образом, а в определенном порядке. Расстояние между линиями закономерно убывает по мере перехода от более длинных волн к более коротким.

В спектроскопии принято характеризовать спектральные линии не частотой, а обратной длине волны величиной которую называют волновым числом (не смешивать с волновым числом k = 2л/л — со/с!). Это вызвано тем, что длина волны (а следовательно и волновое число) измеряется в настоящее время с гораздо большей точностью [об этой точности можно судить по приведенному ниже значению (59.4) константы R], чем точность, с которой определена скорость света с. Поэтому значение частоты не может быть столь же точным, как значение волнового числа.

Если преобразовать (59.1) в выражение для волнового числа, получится формула:

(59.2)

где буквой R обозначена константа, равная 4/Яо. Эту константу называют в честь шведского спектроскописта постоянной Р и д б е р г а. Она равна

Мы не станем придерживаться спектроскопических обозначений и будем для характеристики спектральных линии пользоваться круговой частотой со. Соответственно постоянной Ридберга мы будем называть величину, в 2пс раз большую, чем R в формуле (59.3). Обозначать эту величину мы будем той же буквой R. Следовательно, нужно иметь в виду, что величина, называемая в дальнейшем постоянной Ридберга, имеет значение

и представляет собой, строго говоря, произведение постоянной Ридберга на 2лс.

Таким образом, формулу (59.3) мы будем писать в виде:

Формула (59.6) [так же как и (59.3)] называется формулой Б а л ь м е р а, а соответствующая серия спектральных линий водородного атома — с е р и е и Бальмера. Дальнейшие исследования показали, что в спектре водорода имеется еще несколько серий. В ультрафиолетовой части спектра находится серия Лай-мана. Остальные серии лежат в инфракрасной области. Линии этих серий могут быть представлены в виде формул, аналогичных (59.6):

Частоты всех линий спектра водородного атома можно представить одной формулой:

где т имеет значение 1 для серии Лаймана, 2 —для серии Бальмера и т. д. При заданном т число п принимает все целочисленные значения, начиная с т + 1. Выражение (59.7) называют обобщенной форму-л ой Б а л ь м ера.

При возрастании n частота линии в каждой серии стремится к предельному значению R/m2которое называется границей серии (на рис. 180 символом #« отмечена граница серии Бальмера).

Возьмем ряд значений выражения

Однако терм Т(п) обычно имеет более сложный вид, чем для водородного атома. Кроме того, первый и второй члены формулы (59,9) берутся из различных рядов термов.