ჯგუფის მოსწავლე

1. სამუშაოს მიზანი 2

2. დაყენების და პროცედურის აღწერა ექსპერიმენტისთვის 2

3. სამუშაოს შედეგები და მათი ანალიზი 3

4. დასკვნები 6

პასუხები უსაფრთხოების კითხვებზე 7

გამოყენებული ლიტერატურის სია 10

დანართი A 11

1. სამუშაოს მიზანი

ამ სამუშაოს მიზანია წყალბადის ატომების ემისიის სპექტრის შესწავლა და რიდბერგის მუდმივის ექსპერიმენტულად განსაზღვრა.

2. დაყენების და ექსპერიმენტული ტექნიკის აღწერა

წყალბადის ატომის სპექტრის შესასწავლად გამოიყენება UM-2 პრიზმის მონოქრომატორზე დაფუძნებული სპექტროსკოპი. ექსპერიმენტული დაყენების განლაგება ნაჩვენებია სურათზე 2.1.

1 - ლაზერი; 2 - უფსკრული; 3 - ეკრანი მილიმეტრიანი მასშტაბით

სურათი 2.1 - ფრაუნჰოფერის დიფრაქციის დაკვირვების სქემატური დიაგრამა ლაზერის გამოყენებით

სინათლე 1 წყაროდან შესასვლელი ჭრილიდან 2 და ლინზიდან 3 ეცემა პარალელურ სხივში სპექტრულ პრიზმაზე მაღალი 4. სინათლე იშლება სპექტრად პრიზმის მიერ და მიმართულია ლინზიდან 6 ოკულარული 8-ისკენ. როდესაც პრიზმა ბრუნავს, სპექტრის სხვადასხვა მონაკვეთი ჩნდება ხედვის ველის ცენტრში. პრიზმა ბრუნავს ბარაბანი 5-ის გამოყენებით, რომელზედაც გამოიყენება მასშტაბი გრადუსით. ბარაბნის როტაციით, სპექტრული ხაზი მიიყვანება ოკულარში მდებარე მაჩვენებელ 7-მდე, ხოლო მაჩვენებელი ფიქსირდება ბარაბნის სკალაზე.

სინათლის წყარო ამ სამუშაოში არის გაზის გამონადენი წყალბადის მილი და მაღალი წნევის ვერცხლისწყლის ნათურა DRSh-250-3.

3. სამუშაოს შედეგები და მათი ანალიზი

ცხრილი 3.1 - სპექტროსკოპის კალიბრაციის მონაცემები ვერცხლისწყლის სპექტრისთვის*

*მერკურის სპექტრული ხაზების ტალღის სიგრძე აღებულია სახელმძღვანელოს მე-8 გვერდის ცხრილიდან 5.1.

სურათი 3.1 - კალიბრაციის მრუდი

წყალბადის სპექტრული ხაზების λ ტალღის სიგრძე განისაზღვრება კალიბრაციის გრაფიკიდან: ◊ მნიშვნელობები გამოსახულია Y ღერძზე და შესაბამისი მნიშვნელობები X ღერძზე შეირჩევა ისე, რომ წერტილი ემთხვევა ხაზს.

ცხრილი 3.2 - ექსპერიმენტული მონაცემები წყალბადის ატომის სპექტრის შესახებ

ცხრილი 3.3 - წყალბადის სპექტრული ხაზების ტალღის სიგრძის საპასუხო მნიშვნელობები, ძირითადი კვანტური რიცხვები.

ბალმერის ფორმულის მოქმედების შესამოწმებლად, გამოსახულია დამოკიდებულების გრაფიკი 1 / ლ / (1 / n 2).

სურათი 3.2 - ხაზოვანი დამოკიდებულების გრაფიკი 1/ლ (1/n 2)

გრაფიკიდან ვადგენთ რიდბერგის მუდმივას, როგორც წრფივი დამოკიდებულების 1/ლ/(1/) ფერდობზე (3.1) ფორმულის მიხედვით.

1-ლი ხაზის პარამეტრები ნახაზზე 3.2

სწორი ხაზის K დახრილობის აბსოლუტური მნიშვნელობა არის რიდბერგის მუდმივა R = |K| = 1.108E+07

ნაპოვნი რიდბერგის მუდმივის აბსოლუტური შეცდომა s(R) = s(K) = 1.057E+05

რიდბერგის მუდმივის ცხრილის მნიშვნელობა: 1.097E+07

განსხვავება რიდბერგის მუდმივის ნაპოვნი და ცხრილის მნიშვნელობებს შორის | 1 - R / | 100% \u003d 0.98%

მე-8 გვ. §8-ის შესაბამისად, შედეგი ფიქსირდება გარანტიით.

R = (1,108 ± 0,01)

აქ e(R) არის ფარდობითი შეცდომა, რომელიც გამოითვლება f-დან. (1.2) მე-2 გვერდზე გვ.

გამოცდილებიდან მიღებული ტალღის სიგრძის მნიშვნელობების გამოყენებით ვაშენებთ წყალბადის ატომის ენერგეტიკული სპექტრის ფრაგმენტს.

ექსპერიმენტში დაფიქსირებული გადასვლები: 6s → 2p, 5s → 2p, 4s → 2p, 3s → 2p.

4. დასკვნები

ლაბორატორიული სამუშაოების დროს შესწავლილი იქნა ატომების რადიაციული სპექტრი

წყალბადის. აშენდა წრფივი დამოკიდებულების გრაფიკი (1/ლ)/(1/), საიდანაც შესაძლებელი გახდა რიდბერგის მუდმივის დადგენა:

R = (1,108 ± 0,01)

რიდბერგის მუდმივის განსაზღვრისას შეცდომა იყო 0,9%.

მიღებული შედეგები შეესაბამება თეორიულ მონაცემებს.

პასუხები უსაფრთხოების კითხვებზე

1. ახსენით პრიზმული სპექტროსკოპის მოქმედების პრინციპი.

პრიზმული სპექტროსკოპის მოქმედების პრინციპი ემყარება სინათლის დისპერსიის ფენომენს. შეყვანის სინათლის ნაკადის დაშლა სხვადასხვა სპექტრულ კომპონენტებად.

2. რა არის სპექტროსკოპის დაკალიბრება?

მონოქრომატული სინათლის სხივების პრიზმით გადახრის კუთხე არ არის პროპორციული არც ტალღის სიგრძისა და არც მისი სიხშირის. ამიტომ, დისპერსიული სპექტრული ინსტრუმენტები ჯერ უნდა დაკალიბრდეს სტანდარტული სინათლის წყაროების გამოყენებით. ამ ლაბორატორიულ სამუშაოში გამოყენებული იყო ვერცხლისწყლის ნათურა, როგორც სინათლის წყარო.

შეფასება ასეთი იყო:

დააინსტალირეთ ვერცხლისწყლის ნათურა სპექტროსკოპის შესასვლელი ჭრილის წინ 30-40 სმ მანძილზე. ჩართეთ ვერცხლისწყლის ნათურა "NETWORK" და "LAMP DRSH" გადამრთველებით. აანთეთ ვერცხლისწყლის ნათურა START ღილაკზე რამდენჯერმე დაჭერით და გაათბეთ ნათურა 3-5 წუთის განმავლობაში. შესასვლელი ჭრილის სიგანის შეცვლით და ოკულარი გადაადგილებით, ოკულარით დანახული სპექტრული ხაზები თხელი და მკვეთრია.

გაზომეთ ბარაბნის ბრუნვის კუთხე ვერცხლისწყლის სპექტრის სხვადასხვა ხაზებისთვის, ხაზების სერიით გასწორება ოკულარში მაჩვენებლის ისრთან. ხაზები უნდა გაივლოს ინდიკატორს მხოლოდ ერთ მხარეს, რათა შემცირდეს ბარაბნის უკუცემის გამო არსებული შეცდომა.

3. როგორ განისაზღვრება ელექტრონის მდგომარეობა წყალბადის ატომში კვანტურ მექანიკაში?

ენერგიების შესაბამისი საკუთრივ ფუნქციები En

განსაზღვრეთ ელექტრონის სტაციონარული მდგომარეობა წყალბადის ატომში და დამოკიდებულია n, l და m კვანტურ რიცხვებზე.

ორბიტალურ კვანტურ რიცხვს l გარკვეულ n-ზე შეუძლია მიიღოს მნიშვნელობები l=0, 1, 2, ..., n-1. მაგნიტური კვანტური რიცხვი მოცემული l-სთვის იღებს მნიშვნელობებს.

4. რას ნიშნავს ტალღის ფუნქციის მოდულის კვადრატი?

ტალღის ფუნქციის ინტერპრეტაციის შესაბამისად, ტალღის ფუნქციის მოდულის კვადრატი იძლევა სივრცის სხვადასხვა წერტილში ელექტრონის პოვნის ალბათობის სიმკვრივეს.

5. ჩაწერეთ შრედინგერის სტაციონარული განტოლება ელექტრონის წყალბადის ატომში.

Rnl(r) არის ტალღის ფუნქციის რადიალური ნაწილი;

Ylm(u, c) არის ტალღური ფუნქციის კუთხოვანი ნაწილი;

n არის მთავარი კვანტური რიცხვი;

l არის ორბიტალური კვანტური რიცხვი;

m არის მაგნიტური კვანტური რიცხვი.

6. მიეცით ელექტრონის შესაძლო მდგომარეობა წყალბადის ატომში n = 3-ით.

n = 3-ისთვის წყალბადის ატომში ელექტრონის შესაძლო მდგომარეობებია: s, p, d.

7. რას ჰქვია წყალბადის ატომის იონიზაციის ენერგია?

ატომის 1s მდგომარეობას ეწოდება ძირითადი მდგომარეობა. იგი შეესაბამება ყველაზე დაბალ ენერგეტიკულ დონეს E1=-13,6 eV, რომელსაც ასევე უწოდებენ მთავარს. ყველა სხვა მდგომარეობას და ენერგეტიკულ დონეს ეწოდება აღგზნებული. რაოდენობა |E1| არის წყალბადის ატომის იონიზაციის ენერგია.

8. დაამტკიცეთ, რომ ბორის რადიუსის ტოლ მანძილზე ელექტრონის პოვნის ალბათობის სიმკვრივე მაქსიმალურია.

სფერულ შრეში ელექტრონის პოვნის ალბათობა r-დან r+dr-მდე უდრის ამ შრის მოცულობას გამრავლებული . ბირთვიდან r მანძილზე ელექტრონის პოვნის ალბათობის სიმკვრივე

აღწევს მაქსიმუმს r=r0-ზე.

მნიშვნელობა r0, რომელსაც აქვს სიგრძის განზომილება, ემთხვევა ბორის პირველი ორბიტის რადიუსს. ამიტომ, კვანტურ მექანიკაში, ბორის პირველი ორბიტის რადიუსი ინტერპრეტირებულია, როგორც მანძილი ბირთვიდან, რომელზედაც ელექტრონის პოვნის ალბათობა მაქსიმალურია.

9. როგორია ორბიტალური კვანტური რიცხვის შერჩევის წესი და რატომ?

l ორბიტალური კვანტური რიცხვისთვის ატომის მიერ სინათლის ემისიის და შთანთქმის დროს კუთხური იმპულსის შენარჩუნების კანონიდან გამომდინარეობს შერჩევის წესი.

10. მიუთითეთ გადასვლების ტიპები Lyman და Paschen სერიებისთვის.

ლაიმანის სერიებისთვის: np → 1s (n = 2, 3...).

Paschen სერიებისთვის: np → 3s, ns → 3p, nd → 3p, np → 3d, nf → 3d (n = 4, 5...)

11. იპოვეთ მოკლე და გრძელი ტალღების საზღვრები (l1 და l∞) Lyman, Balmer, Paschen სერიებისთვის.

ლიმანის სერიებისთვის: m = 1, n = 2, 3, … ∞.

R = 1.097 ∙ 107 (მ-1)

n = ∞-ისთვის. , l1 = 1/(1.097 ∙ 107) ∙ 109 = 91.2 (ნმ)

L∞ = 1/(1,097 ∙ 107 ∙ 3/4) ∙ 109 = 121,5 (ნმ)

ბალმერის სერიებისთვის: m = 2, n = 3, 4 ... ∞.

R = 1.097 ∙ 107 (მ-1)

n = ∞-ისთვის. , l1 = 1/(1.097 ∙ 107 ∙ 1/4) ∙ 109 = 364.6 (ნმ)

L∞ = 1/(1.097 ∙ 107 ∙ 0.1389) ∙ 109 = 656.3 (ნმ)

პასშენის სერიებისთვის: m = 3, n = 4.5 … ∞.

R = 1.097 ∙ 107 (მ-1)

n = ∞-ისთვის. , l1 = 1/(1.097 ∙ 107 ∙ 1/9) ∙ 109 = 820.4 (ნმ)

L∞ = 1/(1,097 ∙ 107 ∙ 0,04861) ∙ 109 = 1875,3 (ნმ)

ბიბლიოგრაფია

, წყალბადის ატომის კირილოვის სპექტრი. ლაბორატორიული მუშაობის გზამკვლევი ყველა სპეციალობის სტუდენტებისთვის. - ტომსკი: TUSUR, 2005. - 10გვ. რიპის გაზომვის შეცდომები. გაიდლაინები ლაბორატორიული სემინარისთვის ფიზიკის კურსზე ყველა სპეციალობის სტუდენტებისთვის. - ტომსკი: FDO, TUSUR, 2006. - 13გვ.

დანართი A

სარეგისტრაციო ფაილი ექსპერიმენტების შედეგებით phyLab7.reg თან ერთვის მოხსენების ფაილს.

1 Excel-ში მოცემული წერტილებიდან აგებული სწორი ხაზის პარამეტრების მიღება შესაძლებელია LINEST () ფუნქციის გამოყენებით, რომელიც ახორციელებს ყველაზე მცირე კვადრატების მეთოდს (LSM). სახელმძღვანელოში MNC აღწერილია გვერდებზე 12–13 ვ. (10.2) – (10.5).

ლაბორატორია #10

მოკლე თეორია

ამ სამუშაოს მიზანია წყალბადის და ნატრიუმის სპექტრის გაცნობა. მისი განხორციელების პროცესში აუცილებელია ვიზუალურად დავაკვირდეთ სპექტრის ხილულ ნაწილს, გავზომოთ ტალღის სიგრძეები და ამ გაზომვების შედეგების საფუძველზე განვსაზღვროთ რიდბერგის მუდმივა.

წყალბადის ატომის ემისიის სპექტრი შედგება ცალკეული მკვეთრი ხაზებისგან და გამოირჩევა სიმარტივით. ბალმერმა (1885), რიდბერგმა (1890) და რიცმა (1908) ემპირიულად დაადგინეს, რომ წყალბადის სპექტრული ხაზები შეიძლება დაჯგუფდეს სერიებად და ტალღის სიგრძეები გამოიხატება მაღალი სიზუსტით ფორმულით:

სად არის ტალღის ნომერი; ლ- ტალღის სიგრძე, ვაკუუმში; რ= 109677.581 სმ -1 - რიდბერგის მუდმივი; n = 1, 2, 3, ... არის ბუნებრივი რიცხვი, მუდმივი მოცემული სერიის წრფეებისთვის, რომელიც შეიძლება ჩაითვალოს რიგის რიცხვად; m = n + 1, n + 2, n + 3, ... არის ნატურალური რიცხვი, რომელიც „ათვლის“ ამ სერიის ხაზებს.

სერია n = 1-ით (ლაიმანის სერია) მთლიანად დევს სპექტრის ულტრაიისფერ ნაწილში. სერიას, რომელიც შეესაბამება n = 2-ს (ბალმერის სერია) აქვს პირველი ოთხი ხაზი ხილულ რეგიონში. სერიები n = 3 (Paschen), n = 4 (Brackett), n = 5 (Pfund) და ასე შემდეგ არის ინფრაწითელში.

მაღალი გარჩევადობის სპექტროსკოპია აჩვენებს, რომ სერიულ ხაზებს (I) აქვთ თხელი სტრუქტურა; თითოეული ხაზი შედგება რამდენიმე მჭიდროდ დაშორებული კომპონენტისგან სპექტრის ხილული ნაწილისთვის ანგსტრომის მეასედი დაშორებით.

ბორის თეორია.ატომური სპექტრების ხაზოვანი სტრუქტურის, კერძოდ ფორმულის (1) ახსნის მრავალი მცდელობა კლასიკური ფიზიკის თვალსაზრისით წარუმატებელი აღმოჩნდა. 1911 წელს რეზერფორდის ექსპერიმენტებმა დაადგინა ატომის ბირთვული მოდელი, რომელიც კლასიკური მექანიკის თვალსაზრისით უნდა ჩაითვალოს ბირთვის გარშემო მოძრავი ელექტრონების ერთობლიობად. კლასიკური ელექტროდინამიკის კანონების თანახმად, ატომის ასეთი მოდელი არასტაბილურია, რადგან მრუდი ორბიტალური მოძრაობისთვის აუცილებელი აჩქარების გამო, ელექტრონები უნდა ასხივებდნენ ენერგიას ელექტრომაგნიტური ტალღების სახით და, შედეგად, სწრაფად დაეცემა ბირთვს. . 1913 წელს ბორმა, მიატოვა კლასიკური ცნებები, ააგო თეორია, რომელიც თავსებადია ატომის ბირთვულ მოდელთან და ახსნა წყალბადის ატომისა და მსგავსი ატომური სისტემების სპექტრის ძირითადი კანონზომიერებები.

ბორის თეორია ემყარება შემდეგ პოსტულატებს:

1. ატომურ სისტემას აქვს დისკრეტული სტაბილური მდგომარეობები გარკვეული ენერგიით, რომელიც შეიძლება ჩაითვალოს ჩვეულებრივი მექანიკის გამოყენებით, მაგრამ რომლებშიც სისტემა არ ასხივებს, თუნდაც ის ასხივებდეს კლასიკური ელექტროდინამიკის მიხედვით.

2. გამოსხივება წარმოიქმნება ერთი სტაციონარული მდგომარეობიდან მეორეზე გადასვლისას ენერგეტიკული კვანტის სახით. ჰვმონოქრომატული შუქი (აქ ვარის გამოსხივების სიხშირე; თ\u003d 6.62 10 -27 erg.sec - პლანკის მუდმივი).

3. წრიული ორბიტების გასწვრივ მოძრაობის განსაკუთრებულ შემთხვევაში სტაციონარულია მხოლოდ ის ორბიტები, რომლებზეც ელექტრონის კუთხური იმპულსი P არის მნიშვნელობის ჯერადი. სთ/2პ:

სადაც ნ = 1, 2, 3,...; მეარის ელექტრონის მასა, rn- რადიუსი ნ- ორბიტა; V nარის ელექტრონის სიჩქარე ნორბიტაზე.

ენერგიის შენარჩუნების კანონისა და ბორის პირველი ორი პოსტულატის შესაბამისად, რადიაციული კვანტის ენერგია ენერგიებთან სტაციონარულ მდგომარეობებს შორის გადასვლისას. E"და ე""უდრის

hv= E" - E"" . (3)

თუ შევადარებთ ფორმულებს (1) და (3), მაშინ ადვილი მისახვედრია, რომ წყალბადის ატომის სტაციონარული მდგომარეობების ენერგია იღებს მნიშვნელობების დისკრეტულ კვანტურ სერიას:

სადაც გარის სინათლის სიჩქარე.

განვიხილოთ ატომი, რომელიც შედგება მუხტის მქონე ბირთვისგან ზ ედა ერთი ელექტრონი. წყალბადისთვის ზ= 1, ცალკე იონიზირებული ჰელიუმისთვის (He+) ზ= 2, ორმაგად იონიზებული ლითიუმისთვის (Li++) ზ= 3 და ა.შ. ბირთვსა და ელექტრონს შორის კულონის ურთიერთქმედების სიძლიერე ტოლი იქნება:

სადაც რარის მანძილი ბირთვსა და ელექტრონს შორის. ამ ძალის გავლენით ელექტრონი მოძრაობს ბირთვის გარშემო ელიფსურ ორბიტაზე, კერძოდ, წრეში. თუ ვითვლით პოტენციურ ენერგიას Uმისი მნიშვნელობიდან უსასრულოდ შორეული ელექტრონისთვის, მაშინ

წრეზე მოძრაობისას ცენტრიდანული ძალა უდრის

სად არის კინეტიკური ენერგია

მთლიანი ენერგია

(2) და (7) მიმართებებიდან ვხვდებით წრიული სტაციონარული ორბიტის რადიუსს

ტოლობა (10) აჩვენებს, რომ სტაციონარული ორბიტები არის წრეები, რომელთა რადიუსი იზრდება ორბიტის რიცხვის კვადრატის პროპორციულად.

(10) (9)-ით ჩანაცვლებით, ვიღებთ ენერგიას სტაციონარულ მდგომარეობებში (ნახ. 2):

გამოთქმა (11) ემთხვევა (4)-ს თუ დავსვამთ

მნიშვნელობა (12) გარკვეულწილად განსხვავდება რიდბერგის მუდმივის მნიშვნელობიდან, რომელიც ნაპოვნია სპექტროსკოპიული გაზომვებიდან. ფაქტია, რომ ფორმულის (11) გამოყვანისას ჩვენ ვივარაუდეთ, რომ ბირთვი უმოძრაოა, ხოლო მისი მასის სასრულობის გამო ის ელექტრონთან ერთად მოძრაობს მათი საერთო ინერციის ცენტრის გარშემო. ამ გარემოების გასათვალისწინებლად საკმარისია ელექტრონის მასის ნაცვლად ელექტრონისა და ბირთვის შემცირებული მასის შეყვანა:

სადაც მარის ბირთვის მასა.

ჩანაცვლება (12) მეზე მვიღებთ წყალბადის ატომის შემთხვევაში ( M = Mp):

რომელიც შესანიშნავად შეესაბამება ექსპერიმენტს. აქ R შეესაბამება ბირთვის უსასრულოდ დიდ მასას და ემთხვევა (12).

გამოთქმა (14) გვიჩვენებს, რომ რიდბერგის მუდმივი წყალბადის იზოტოპებისთვის (დეიტერიუმი M d = 2M pდა ტრიტიუმი M T = 3M გვ), შემცირებული მასების სხვაობის გამო, განსხვავდება რიდბერგის მუდმივისაგან Rpმსუბუქი წყალბადისთვის. ეს კარგად ემთხვევა დეიტერიუმის და ტრიტიუმის სპექტრებში დაკვირვებულ ხაზის ცვლილებას წყალბადის სპექტრთან შედარებით (იზოტოპური ცვლა).

უფრო დახვეწილი ეფექტების აღსაწერად, როგორიცაა ატომების მიერ გამოსხივებული სპექტრული ხაზების გაყოფა გარე ველში, საკმარისი არ არის მხოლოდ წრიული ორბიტების გათვალისწინება. უფრო ზოგადი სტაციონარული პირობები, ვიდრე (2), შესაფერისი ელიფსური ორბიტებისთვის, მოცემულია სომერფელდის მიერ შემდეგი ფორმით: თუ მექანიკური სისტემა მეთავისუფლების ე ხარისხი აღწერილია განზოგადებული კოორდინატებით qiდა შესაბამისი განზოგადებული იმპულსები p i = ¶T/¶q i, მაშინ სისტემის მხოლოდ ის მდგომარეობებია სტაციონარული, რისთვისაც

სადაც n iარის მთელი კვანტური რიცხვები და ინტეგრაცია ვრცელდება ვარიაციის მთელ დიაპაზონზე qi. პოლარული კოორდინატებით აღწერილი ელიფსის შემთხვევაში რდა ჯ, ჩვენ გვაქვს

სადაც njდა n r- აზიმუტალური და რადიალური კვანტური რიცხვები. კუთხური იმპულსის მუდმივობის გამო პჯ= const = გვპირობა (16) იძლევა, როგორც წრიული ორბიტის შემთხვევაში,

შესაბამისი გამოთვლა აჩვენებს, რომ ელექტრონის ენერგია დამოკიდებულია ჯამზე n j + n r = nფორმულის მიხედვით (11). ნუწოდა ძირითადი კვანტური რიცხვი. როგორც nj = 1, 2, ...ნ, მოცემულისთვის ნ, ხელმისაწვდომი ნელიფსური ორბიტები ერთი და იგივე ენერგიით (11) და განსხვავებული იმპულსით (18). თუ გავითვალისწინებთ თავისუფლების მესამე ხარისხს, მაშინ მისთვის კვანტიზაციის პირობა (15) მივყავართ იმ ფაქტს, რომ თითოეული ორბიტა სივრცეში შეიძლება იყოს ორიენტირებული არა თვითნებურად, არამედ მხოლოდ ისე, რომ კუთხის იმპულსის პროექცია. ნებისმიერი ფიქსირებული მიმართულება OZ-ს შეუძლია მიიღოს 2 ნ+ 1 ჯერადი სთ/(2პ) :

m = - n j , - n j + 1, . . . . . nj- 1 , ნ ჯ . (20)

ბორ-სომერფელდის თეორიამ ნათლად აჩვენა კლასიკური ფიზიკის გამოუყენებლობა და კვანტური კანონების უმნიშვნელოვანესი მნიშვნელობა მიკროსკოპული სისტემებისთვის. მან განმარტა წყალბადის მსგავსი იონების, ტუტე ლითონების, რენტგენის სპექტრების სპექტრის ძირითადი კანონზომიერებები. მის ფარგლებში პირველად იქნა ახსნილი ელემენტების პერიოდული სისტემის კანონზომიერებები. მეორე მხრივ, თეორიამ არ მისცა თანმიმდევრული ახსნა სპექტრული ხაზების ინტენსივობისა და პოლარიზაციის შესახებ. უმარტივესი ორელექტრონული სისტემის, ჰელიუმის ატომის თეორიის აგების მცდელობა არანაირად არ ჩაიშალა. ბორის თეორიის ნაკლოვანებები მისი შინაგანი შეუსაბამობის შედეგია. მართლაც, ერთის მხრივ, ის იზიდავს კვანტიზაციის იდეებს, რომლებიც უცხოა კლასიკური ფიზიკისთვის, ხოლო მეორე მხრივ, ის იყენებს კლასიკურ მექანიკას სტაციონარული მდგომარეობის აღსაწერად. ატომშიდა ფიზიკურ ფენომენებზე ყველაზე სწორ სურათს აძლევდა თანმიმდევრული კვანტური თეორია - კვანტური მექანიკა, რომლის მიმართაც ბორის თეორია იყო უმნიშვნელოვანესი გარდამავალი ეტაპი.

სტაციონარული მდგომარეობების კვანტური მექანიკური აღწერა.კვანტურ მექანიკასა და ბორის თეორიას შორის მთავარი განსხვავებაა ელექტრონის მოძრაობის იდეის უარყოფა კლასიკურად განსაზღვრულ ორბიტაზე. რაც შეეხება მიკრონაწილაკს, შეიძლება საუბარი არა მის ადგილს ტრაექტორიაზე, არამედ მხოლოდ ალბათობაზე. dWიპოვეთ ეს ნაწილაკი მოცულობით dVტოლია

dw = |ი (x, y, z)| 2 dx dy dz, (21)

სადაც Y (x, y, z)- ტალღური ფუნქცია, ემორჩილება კვანტური მექანიკის მოძრაობის განტოლებას. უმარტივეს შემთხვევაში შრედინგერის მიერ სტაციონარული მდგომარეობებისთვის მიღებულ განტოლებას აქვს ფორმა

სადაც ედა Uარის მასის მქონე ნაწილაკების ჯამური და პოტენციური ენერგია მ ე.

ელექტრონის დარჩენის ალბათობა ერთეულ მოცულობაში Y |(x, y, z)| 2თითოეული წერტილისთვის გამოთვლილი, ქმნის წარმოდგენას ელექტრონული ღრუბლის შესახებ, როგორც სივრცეში ელექტრონული მუხტის გარკვეული სტატისტიკური განაწილება. თითოეულ სტაციონარულ მდგომარეობას ახასიათებს ელექტრონის სიმკვრივის საკუთარი განაწილება და ერთი სტაციონარული მდგომარეობიდან მეორეზე გადასვლას თან ახლავს ელექტრონული ღრუბლის ზომისა და კონფიგურაციის ცვლილება.

ელექტრონული ღრუბლის სიმკვრივე არის ბირთვიდან დაშორების ფუნქცია რ. ბორის თეორიასთან შესადარებლად საინტერესოა აღინიშნოს, რომ წყალბადის ატომის ძირითადი მდგომარეობის მაქსიმალური რადიალური სიმკვრივე შეესაბამება წერტილს რფორმულით განსაზღვრული (10), ანუ ელექტრონის ყველაზე დიდი სავარაუდო მანძილი ბირთვიდან ზუსტად უდრის ბორის თეორიის პირველი ორბიტის რადიუსს (ნახ. 1).

ელექტრონული ღრუბლის ზომის მატებასთან ერთად, როგორც წესი, იზრდება მისი ენერგიაც. E n, რომელიც ხასიათდება ძირითადი კვანტური რიცხვით ნ.ელექტრონული ღრუბლის ფორმა განსაზღვრავს „ორბიტალურ“ კუთხურ იმპულსს პ ლ, ხასიათდება კვანტური რიცხვით ლ.

ბრინჯი. 1. ელექტრონის ალბათობის განაწილება მდგომარეობებში:

1 - ნ = 1, ლ= 0 და 2 - ნ = 2, ლ = 0

ღრუბლის ორიენტაცია განსაზღვრავს მომენტის პროექციას p lzსივრცეში, რომელიც ხასიათდება კვანტური რიცხვით მ ლ. ორბიტალური იმპულსის გარდა, ელექტრონს აქვს საკუთარი კუთხოვანი იმპულსი - სპინი გვ, რომელსაც შეიძლება ჰქონდეს ორი ორიენტაცია სივრცეში, რომელიც ხასიათდება კვანტური რიცხვის ორი მნიშვნელობით ქალბატონი= - 1/2 , + 1/2. შეიძლება წარმოვიდგინოთ, რომ სპინის მომენტი განპირობებულია ელექტრონის ბრუნვით მისი ღერძის გარშემო (ისევე, როგორც დედამიწა ბრუნავს თავისი ღერძის გარშემო, მოძრაობს მზის გარშემო ორბიტაზე). ეს მარტივი სურათი მოსახერხებელია, როგორც ტრიალის შესაძლო წარმოშობის ვიზუალური გეომეტრიული წარმოდგენა. მხოლოდ კვანტურ თეორიას შეუძლია სპინის მკაცრი განმარტება.

კვანტური მექანიკის მიხედვით, იმპულსის მომენტები და მათი პროგნოზები განისაზღვრება შემდეგი ურთიერთობებით:

გაითვალისწინეთ, რომ ბორ-სომერფელდის კვანტიზაციის წესები (18), (19) არის მიახლოება (23), (24) დიდისთვის ლ.

ამრიგად, იმისათვის, რომ ცალსახად განვსაზღვროთ ელექტრონის მდგომარეობა ატომში, შეგიძლიათ დააყენოთ ოთხი ფიზიკური რაოდენობა E n, p l, p lz, p sl,ან, რაც იგივეა, კვანტური რიცხვების ოთხმაგი მ, ლ, მ ლ, მ ს. ამ კვანტური რიცხვების მნიშვნელობები შემოიფარგლება ფორმულებით (23) - (26).

ნ = 1, 2, 3, 4, ... ; (27)

ლ = 1, 2, 3, 4, ..., ნ - 1 ; მ ლ = - ლ, - ლ+ 1, ..., 0, ..., ლ- 1, ლ;

ქალბატონი = -1/2 , +1/2 .

ორბიტალური ნომერი ლ= 0, 1, 2, 3, 4 და ა.შ. ჩვეულებრივ აღინიშნება ასოებით s, p, d, f, qდა ასე შემდეგ ანბანურად.

კვანტური რიცხვების ოთხმაგი შეცვლით, შეგიძლიათ მიიღოთ ატომის ყველა სახის მდგომარეობა. ამ ელექტრონული მდგომარეობების შევსების თანმიმდევრობა განისაზღვრება ორი პრინციპით: პაულის პრინციპი და უმცირესი ენერგიის პრინციპი.

პაულის პრინციპის მიხედვით, ატომს არ შეიძლება ჰქონდეს ორი ელექტრონი კვანტური რიცხვების ერთნაირი სიმრავლით. უმცირესი ენერგიის პრინციპის მიხედვით, ელექტრონული მდგომარეობების შევსება ხდება დაბალი ენერგიის მნიშვნელობებიდან ყველაზე მაღალი თანმიმდევრობით.

1ს < 2ს < 2გვ < 3ს < 3გვ . (28)

პაულის პრინციპისა და შეზღუდვების შესაბამისად (27), მოცემულ ქვეყნებში ნდა ლარ შეიძლება იყოს 2-ზე მეტი (2 ლ+ 1) ელექტრონები. ამიტომ, in ს-სახელმწიფო ( ლ= 0) შეიძლება შეიცავდეს არაუმეტეს ორ ელექტრონს, გვ-სახელმწიფო ( ლ= 1) - არაუმეტეს ექვსი ელექტრონისა და ა.შ. მოცემული კვანტური ძირითადი რიცხვის მქონე მდგომარეობაში ნშეიძლება შეიცავდეს არაუმეტეს ელექტრონებს.

მდგომარეობების სიმრავლე მოცემულთან ნეწოდება ელექტრონული გარსი, მდგომარეობების ერთობლიობა მოცემული წყვილი რიცხვებით ნდა ლე.წ. subshell. ელექტრონების განაწილებას ატომში ქვედა გარსებზე ეწოდება ელექტრონების კონფიგურაცია. მაგალითად, წყალბადის, ლითიუმის, ჰელიუმის, ნატრიუმის ატომების ძირითადი მდგომარეობების ელექტრონული კონფიგურაციები. გამოიყურება როგორც:

1ს 1(H)

1ს 2 (ის)

1ს 2 2ს 1 (Li)

1ს 2 2ს 2 2გვ 6 3ს 1 (Na),

სადაც ზემოწერები მიუთითებს ელექტრონების რაოდენობას შესაბამის ქვეშელში, ხოლო მწკრივში მოცემული რიცხვები მიუთითებს ძირითადი კვანტური რიცხვის მნიშვნელობას ნ. ავხსნათ ელექტრონული კონფიგურაციების დაწერის წესი ნატრიუმის ატომის მაგალითის გამოყენებით ზ= 11. მდგომარეობებში ელექტრონების მაქსიმალური რაოდენობის ცოდნა სდა გვ(2 და 6 შესაბამისად), მოათავსეთ 11 ელექტრონი, უტოლობის (28) გასწვრივ მარცხნიდან მარჯვნივ, შემდეგ მივიღებთ 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 . ანალოგიურად, მიიღება სხვა ატომების ელექტრონული კონფიგურაცია.

ბრინჯი. 2. წყალბადის ატომის ენერგიის დონეებისა და რადიაციული გადასვლების დიაგრამა

ტალღის სიგრძე ვერცხლისწყლის ემისიის სპექტრში

სამუშაო პროცედურა

1. ჩართეთ UM-2 მონოქრომატორისა და ვერცხლისწყლის ნათურის კვების წყარო.

2. ცხრილის გამოყენებით მონოქრომატის დაკალიბრება (გრაფიკის დახატვა).

3. ჩართეთ გაზის გამონადენი მილი ნატრიუმით და განსაზღვრეთ ტალღის სიგრძეები სპექტრის ხილულ ნაწილში გრაფიკის გამოყენებით.

4. დაადგინეთ რიდბერგის მუდმივი თითოეული ხაზისთვის და იპოვეთ საშუალო მნიშვნელობა.

5. განსაზღვრეთ ნატრიუმის ატომის იონიზაციის პოტენციალი.

საკონტროლო კითხვები და ამოცანები

1. გვიამბეთ ბორის მიერ შექმნილი ატომის აგებულების თეორიის შესახებ.

2. რით განსხვავდება ბორის თეორია კვანტური მექანიკური თეორიისგან?

3. რა კვანტური რიცხვები იცით? რა არის პაულის პრინციპი?

4. დაწერეთ შრედინგერის განტოლება წყალბადის მსგავსი ატომისთვის.

5. როგორ განისაზღვრება ელექტრონის სპექტროსკოპიული მუხტი?

6. რა არის განზოგადებული ბალმერის ფორმულა?

7. ახსენით წყალბადისა და ნატრიუმის ატომის ენერგიის დონეებისა და რადიაციული გადასვლების დიაგრამები.

ლიტერატურა

1. სტალონები I.P. ელექტრონიკის საფუძვლები. ლენინგრადი, 1990 წ.

2. კოშკინი ნ.ი., შირკევიჩ მ.გ. დაწყებითი ფიზიკის სახელმძღვანელო. -მ., 1988 წ.

3. Mirdel K. ელექტროფიზიკა. - M. 1972 წ

4. ოპტიკა და ატომური ფიზიკა: ლაბორატორიული სემინარი ფიზიკის შესახებ, რედ. რ.ი. სოლუხინი. 1976 წ.

5. პესტროვი ე.გ., ლაპშინი გ.მ. კვანტური ელექტრონიკა. -მ. 1988 წ.

6. სემინარი სპექტროსკოპიის შესახებ, რედ. ლ.ვ. ლევშიტე, -მ, 1976 წ.

7. საველიევი ი.ვ. ზოგადი ფიზიკის კურსი. -მ., ტ.-2, 3., 1971 წ.

8. სივუხინ დ.ვ. ფიზიკის ზოგადი კურსი. T-3, - მ., 1990 წ.

9. ტროფიმოვა ტ.ი. ფიზიკის კურსი. –მ., ნაუკა, 1990 წ.

10. Fano U., Fano L. ატომებისა და მოლეკულების ფიზიკა. - მ., 1980 წ.

11. შეფტელი ი.ტ. თერმისტორები. - მ., 1972 წ

12. შპოლსკი ე.ვ. ატომური ფიზიკა. – M. 1990 წ

13. იავორსკი ბ.მ., სელეზნევი იუ.ა. სახელმძღვანელო ფიზიკაში. -მ., 1989 წ.

საგანმანათლებლო გამოცემა

ალექსეევი ვადიმ პეტროვიჩი

პაპორკოვი ვლადიმერ არკადიევიჩი

რიბნიკოვა ელენა ვლადიმეროვნა

ლაბორატორიული სახელოსნო

შესავალი

ნივთიერების ხაზის სპექტრის შესწავლა საშუალებას გაძლევთ განსაზღვროთ რა ქიმიური ელემენტებისგან შედგება და რამდენ ელემენტს შეიცავს მოცემული ნივთიერება.

საცდელ ნიმუშში ელემენტის რაოდენობრივი შემცველობა განისაზღვრება ამ ელემენტის სპექტრში ცალკეული ხაზების ინტენსივობის შედარებით სხვა ქიმიური ელემენტის ხაზების ინტენსივობით, რომლის რაოდენობრივი შემცველობა ნიმუშში ცნობილია.

ნივთიერების ხარისხობრივი და რაოდენობრივი შედგენილობის განსაზღვრის მეთოდს მისი სპექტრით ეწოდება სპექტრული ანალიზი. სპექტრული ანალიზი ფართოდ გამოიყენება წიაღისეულის ძიებაში მადნის ნიმუშების ქიმიური შემადგენლობის დასადგენად. ინდუსტრიაში სპექტრული ანალიზი შესაძლებელს ხდის ლითონებში შეყვანილი შენადნობებისა და მინარევების შემადგენლობის კონტროლს სასურველი თვისებების მქონე მასალების მისაღებად.

სპექტრული ანალიზის უპირატესობაა მაღალი მგრძნობელობა და სწრაფი შედეგები. სპექტრული ანალიზის საშუალებით შესაძლებელია ოქროს არსებობის გამოვლენა ნიმუშში, რომლის წონაა 6 * 10 -7 გ, ხოლო მისი მასა მხოლოდ 10 -8 გ. სპექტრული ანალიზის მეთოდით ფოლადის ხარისხის განსაზღვრა შესაძლებელია. შესრულებულია რამდენიმე ათეულ წამში.

სპექტრული ანალიზი შესაძლებელს ხდის დედამიწიდან დაშორებული ციური სხეულების ქიმიური შემადგენლობის დადგენას მილიარდობით სინათლის წლის მანძილზე. პლანეტების და ვარსკვლავების ატმოსფეროს ქიმიური შემადგენლობა, ვარსკვლავთშორის სივრცეში ცივი გაზი განისაზღვრება შთანთქმის სპექტრებიდან.

სპექტრების შესწავლით მეცნიერებმა შეძლეს ციური სხეულების არა მხოლოდ ქიმიური შემადგენლობის, არამედ მათი ტემპერატურის დადგენა. სპექტრული ხაზების ცვლა შეიძლება გამოყენებულ იქნას ციური სხეულის სიჩქარის დასადგენად.

სპექტრის აღმოჩენისა და სპექტრული ანალიზის ისტორია

1666 წელს ისააკ ნიუტონმა, მიიპყრო ყურადღება ტელესკოპში ვარსკვლავების გამოსახულების მოლურჯო ფერზე, მოაწყო ექსპერიმენტი, რის შედეგადაც მან აღმოაჩინა სინათლის დისპერსია და შექმნა ახალი მოწყობილობა - სპექტროსკოპი. ნიუტონმა სინათლის სხივი მიმართა პრიზმაში და შემდეგ, უფრო გაჯერებული ზოლის მისაღებად, მრგვალი ხვრელი ჭრილით შეცვალა. დისპერსია არის ნივთიერების რეფრაქციული ინდექსის დამოკიდებულება სინათლის ტალღის სიგრძეზე. დისპერსიის გამო, თეთრი სინათლე შუშის პრიზმაში გავლისას სპექტრში იშლება. ამიტომ, ასეთ სპექტრს დისპერსიული ეწოდება.

მთლიანად შავი სხეულის გამოსხივება, რომელიც გადის მოლეკულურ ღრუბელში, იძენს შთანთქმის ხაზებს თავისი სპექტრით. ემისიის სპექტრი ასევე შეიძლება შეინიშნოს ღრუბელთან ახლოს. ელექტრომაგნიტური გამოსხივების დაშლას ტალღის სიგრძეებად მათი შესასწავლად ეწოდება სპექტროსკოპია. სპექტრის ანალიზი არის ასტროფიზიკაში გამოყენებული ასტრონომიული ობიექტების შესწავლის მთავარი მეთოდი.

დაკვირვებული სპექტრები იყოფა სამ კლასად:

ხაზის ემისიის სპექტრი. გაცხელებული იშვიათი გაზი გამოყოფს ნათელ ემისიის ხაზებს;

უწყვეტი სპექტრი. ასეთ სპექტრს იძლევა მყარი, სითხეები ან მკვრივი გაუმჭვირვალე აირი გაცხელებულ მდგომარეობაში. ტალღის სიგრძე, რომელზეც ეცემა მაქსიმალური გამოსხივება, დამოკიდებულია ტემპერატურაზე;

ხაზის შთანთქმის სპექტრი. მუქი შთანთქმის ხაზები ჩანს უწყვეტი სპექტრის ფონზე. შთანთქმის ხაზები იქმნება, როდესაც უფრო ცხელი, უწყვეტი სპექტრის სხეულის რადიაცია ცივ, იშვიათ გარემოში გადის.

სპექტრების შესწავლა გვაწვდის ინფორმაციას ასტრონომიული ობიექტების ტემპერატურის, სიჩქარის, წნევის, ქიმიური შემადგენლობისა და სხვა მნიშვნელოვანი თვისებების შესახებ. სპექტრალური ანალიზის ისტორია დაიწყო 1802 წელს, როდესაც ინგლისელმა ვოლანსტონმა, მზის სპექტრზე დაკვირვებით, პირველად დაინახა მუქი შთანთქმის ხაზები. მან ვერ შეძლო მათი ახსნა და დიდ მნიშვნელობას არ ანიჭებდა თავის აღმოჩენას.

1814 წელს გერმანელმა ფიზიკოსმა ფრაუნჰოფერმა კვლავ აღმოაჩინა მუქი შთანთქმის ხაზები მზის სპექტრში და შეძლო სწორად აეხსნა მათი გარეგნობა. მას შემდეგ მათ ფრაუნჰოფერის ხაზებს ეძახდნენ. 1868 წელს მზის სპექტრში აღმოაჩინეს უცნობი ელემენტის ხაზები, სახელწოდებით ჰელიუმი (ბერძნ. helios „მზე“). 27 წლის შემდეგ ამ გაზის მცირე რაოდენობა დედამიწის ატმოსფეროშიც აღმოჩნდა. დღეს ჩვენ ვიცით, რომ ჰელიუმი არის მეორე ყველაზე გავრცელებული ელემენტი სამყაროში. 1918–1924 წლებში გამოქვეყნდა ჰენრი დრეიპერის კატალოგი, რომელიც შეიცავს 225330 ვარსკვლავის სპექტრის კლასიფიკაციას. ეს კატალოგი გახდა ჰარვარდის ვარსკვლავების კლასიფიკაციის საფუძველი. ასტრონომიული ობიექტების უმეტესობის სპექტრში შეინიშნება წყალბადის ხაზები, რომლებიც ჩნდება პირველ ენერგეტიკულ დონეზე გადასვლისას. ეს არის ლიმანის სერია, რომელიც დაფიქსირდა ულტრაიისფერში; სერიის ცალკეული ხაზები აღინიშნება Lα (λ = 121,6 ნმ), Lβ (λ = 102,6 ნმ), Lγ (λ = 97,2 ნმ) და ა.შ. ბალმერის სერიის წყალბადის ხაზები შეინიშნება სპექტრის ხილულ რეგიონში. ეს არის Hα (λ = 656,3 ნმ) წითელი, Hβ (λ = 486,1 ნმ) ლურჯი, Hγ (λ = 434,0 ნმ) ლურჯი და Hδ (λ = 410,2 ნმ) იისფერი ხაზები. წყალბადის ხაზები ასევე შეინიშნება სპექტრის ინფრაწითელ ნაწილში - Paschen, Bracket და სხვა, უფრო შორეული სერიები.

სპექტრული სერია წყალბადის სპექტრში

თითქმის ყველა ვარსკვლავს აქვს შთანთქმის ხაზები თავის სპექტრში. ყველაზე ინტენსიური ჰელიუმის ხაზი განლაგებულია სპექტრის ყვითელ ნაწილში: D3 (λ = 587,6 ნმ). მზის მსგავსი ვარსკვლავების სპექტრებში ასევე შეინიშნება ნატრიუმის ხაზები: D1 (λ = 589,6 ნმ) და D2 (λ = 589,0 ნმ), იონიზებული კალციუმის ხაზები: H (λ = 396,8 ნმ) და K (λ = 393, 4 ნმ). ვარსკვლავების ფოტოსფეროები იძლევა უწყვეტ სპექტრს, რომელსაც კვეთს ინდივიდუალური მუქი ხაზები, რომლებიც წარმოიქმნება, როდესაც რადიაცია გადის ვარსკვლავის ატმოსფეროს ცივ ფენებში. შთანთქმის სპექტრიდან (უფრო ზუსტად, სპექტრში გარკვეული ხაზების არსებობით) შეიძლება ვიმსჯელოთ ვარსკვლავის ატმოსფეროს ქიმიური შემადგენლობის შესახებ. სპექტრის ნათელი ხაზები აჩვენებს, რომ ვარსკვლავი გარშემორტყმულია ცხელი აირის გაფართოებული გარსით. სპექტრში დაბალი ტემპერატურის მქონე წითელი ვარსკვლავები აჩვენებენ ტიტანის ოქსიდის მოლეკულების, ოქსიდების ფართო ზოლებს. იონიზებული ვარსკვლავთშორისი გაზი, რომელიც თბება მაღალ ტემპერატურამდე, იძლევა სპექტრებს მაქსიმალური ემისიით ულტრაიისფერ რეგიონში. უჩვეულო სპექტრები იძლევა თეთრ ჯუჯებს. მათ აქვთ შთანთქმის ხაზები ბევრჯერ უფრო ფართო ვიდრე ჩვეულებრივი ვარსკვლავები და აქვთ წყალბადის ხაზები, რომლებიც ჩვეულებრივ ვარსკვლავებს არ აქვთ ასეთ ტემპერატურაზე. ეს გამოწვეულია თეთრი ჯუჯების ატმოსფეროში მაღალი წნევით.

სპექტრის ტიპები

სხვადასხვა ნივთიერების გამოსხივების სპექტრული შემადგენლობა ძალიან მრავალფეროვანია. მაგრამ, ამის მიუხედავად, ყველა სპექტრი, როგორც გამოცდილება გვიჩვენებს, შეიძლება დაიყოს სამ ტიპად, რომლებიც ძალიან განსხვავდებიან ერთმანეთისგან.

უწყვეტი სპექტრები.

მზის სპექტრი ან რკალის სინათლის სპექტრი უწყვეტია. ეს ნიშნავს, რომ სპექტრი შეიცავს ყველა ტალღის სიგრძის ტალღებს. სპექტრში არ არის უწყვეტობა და სპექტროგრაფის ეკრანზე შეიძლება ნახოთ უწყვეტი მრავალფეროვანი ზოლი.

ენერგიის სიხშირის განაწილება, ანუ რადიაციის ინტენსივობის სპექტრული სიმკვრივე, განსხვავებულია სხვადასხვა სხეულებისთვის. მაგალითად, ძალიან შავი ზედაპირის მქონე სხეული ასხივებს ყველა სიხშირის ელექტრომაგნიტურ ტალღებს, მაგრამ რადიაციის ინტენსივობის სპექტრული სიმკვრივის დამოკიდებულება სიხშირეზე აქვს მაქსიმუმი გარკვეულ სიხშირეზე. რადიაციული ენერგია, რომელიც მიეკუთვნება ძალიან მცირე და ძალიან მაღალ სიხშირეებს, უმნიშვნელოა. ტემპერატურის მატებასთან ერთად, რადიაციის სპექტრული სიმკვრივის მაქსიმუმი გადადის მოკლე ტალღებისკენ.

უწყვეტი (ან უწყვეტი) სპექტრები, როგორც გამოცდილება გვიჩვენებს, იძლევა მყარ ან თხევად მდგომარეობაში მყოფ სხეულებს, ასევე ძლიერ შეკუმშულ აირებს. უწყვეტი სპექტრის მისაღებად, თქვენ უნდა გაათბოთ სხეული მაღალ ტემპერატურაზე.

უწყვეტი სპექტრის ბუნება და მისი არსებობის ფაქტი განისაზღვრება არა მხოლოდ ცალკეული გამოსხივების ატომების თვისებებით, არამედ დიდწილად დამოკიდებულია ატომების ერთმანეთთან ურთიერთქმედებაზე.

უწყვეტი სპექტრი ასევე წარმოიქმნება მაღალი ტემპერატურის პლაზმით. ელექტრომაგნიტური ტალღები გამოიყოფა პლაზმისგან, ძირითადად, როდესაც ელექტრონები იონებს ეჯახებიან.

ხაზის სპექტრები.

მოდით შევიყვანოთ გაზის სანთურის ფერმკრთალ ცეცხლში აზბესტის ნაჭერი, რომელიც დასველებულია ჩვეულებრივი სუფრის მარილის ხსნარში. სპექტროსკოპის საშუალებით ალიზე დაკვირვებისას, ალის ძლივს შესამჩნევი უწყვეტი სპექტრის ფონზე ანათებს კაშკაშა ყვითელი ხაზი. ეს ყვითელი ხაზი მოცემულია ნატრიუმის ორთქლით, რომელიც წარმოიქმნება ნატრიუმის ქლორიდის მოლეკულების ცეცხლში გაყოფის დროს. სპექტროსკოპი ასევე აჩვენებს სხვადასხვა სიკაშკაშის ფერადი ხაზების პალიზას, რომლებიც გამოყოფილია ფართო მუქი ზოლებით. ასეთ სპექტრებს ხაზოვანი სპექტრები ეწოდება. ხაზის სპექტრის არსებობა ნიშნავს, რომ ნივთიერება ასხივებს მხოლოდ საკმაოდ გარკვეული ტალღის სიგრძის სინათლეს (უფრო ზუსტად, გარკვეულ ძალიან ვიწრო სპექტრულ ინტერვალებში). თითოეულ ხაზს აქვს სასრული სიგანე.

ხაზის სპექტრები იძლევა ყველა ნივთიერებას აირისებრ ატომურ (მაგრამ არა მოლეკულურ) მდგომარეობაში. ამ შემთხვევაში სინათლე გამოიყოფა ატომებით, რომლებიც პრაქტიკულად არ ურთიერთქმედებენ ერთმანეთთან. ეს არის ყველაზე ფუნდამენტური, ძირითადი ტიპის სპექტრები.

მოცემული ქიმიური ელემენტის იზოლირებული ატომები ასხივებენ მკაცრად განსაზღვრულ ტალღის სიგრძეებს.

ჩვეულებრივ, ხაზის სპექტრები შეინიშნება ნივთიერების ორთქლის სიკაშკაშის გამოყენებით ცეცხლში ან გაზის გამონადენის ბზინვარების გამოყენებით შესწავლილი გაზით სავსე მილში.

ატომური გაზის სიმკვრივის მატებასთან ერთად, ინდივიდუალური სპექტრული ხაზები ფართოვდება და, ბოლოს და ბოლოს, გაზის ძალიან მაღალი სიმკვრივის დროს, როდესაც ატომების ურთიერთქმედება მნიშვნელოვანი ხდება, ეს ხაზები ერთმანეთს გადაფარავს და ქმნიან უწყვეტ სპექტრს.

ზოლიანი სპექტრები.

ზოლიანი სპექტრი შედგება ცალკეული ზოლებისაგან, რომლებიც გამოყოფილია მუქი უფსკრულით. ძალიან კარგი სპექტრული აპარატის დახმარებით, შეიძლება აღმოჩნდეს, რომ თითოეული ზოლი არის დიდი რაოდენობით ძალიან მჭიდროდ დაშორებული ხაზების კოლექცია. ხაზოვანი სპექტრებისგან განსხვავებით, ზოლიანი სპექტრები იქმნება არა ატომებით, არამედ მოლეკულებით, რომლებიც არ არიან შეკრული ან სუსტად შეკრული ერთმანეთთან.

მოლეკულური სპექტრების დასაკვირვებლად, ისევე როგორც ხაზოვანი სპექტრების დასაკვირვებლად, ჩვეულებრივ გამოიყენება ორთქლის სიკაშკაშე ცეცხლში ან გაზის გამონადენის სიკაშკაშე.

შთანთქმის სპექტრები.

ყველა ნივთიერება, რომლის ატომიც აღგზნებულ მდგომარეობაშია, ასხივებს სინათლის ტალღებს, რომელთა ენერგია ტალღების სიგრძეზე გარკვეული გზით ნაწილდება. ნივთიერების მიერ სინათლის შთანთქმა ასევე დამოკიდებულია ტალღის სიგრძეზე. ამრიგად, წითელი მინა გადასცემს წითელ შუქის შესაბამის ტალღებს და შთანთქავს ყველა დანარჩენს.

თუ თეთრი შუქი გადის ცივ, არაგამოსხივებულ გაზში, მაშინ მუქი ხაზები ჩნდება წყაროს უწყვეტი სპექტრის ფონზე. გაზი ყველაზე ინტენსიურად შთანთქავს ზუსტად იმ ტალღის სიგრძის შუქს, რომელსაც ის ასხივებს, როცა ძალიან ცხელა. მუქი ხაზები უწყვეტი სპექტრის ფონზე არის შთანთქმის ხაზები, რომლებიც ერთად ქმნიან შთანთქმის სპექტრს.

არსებობს უწყვეტი, ხაზოვანი და ზოლიანი ემისიის სპექტრები და შთანთქმის სპექტრის ერთნაირი რაოდენობა.

მნიშვნელოვანია ვიცოდეთ, რისგან შედგება ჩვენს ირგვლივ არსებული სხეულები. მრავალი მეთოდი იქნა შემუშავებული მათი შემადგენლობის დასადგენად. მაგრამ ვარსკვლავებისა და გალაქტიკების შემადგენლობის დადგენა შესაძლებელია მხოლოდ სპექტრული ანალიზის დახმარებით.

Yavorsky B. რაზე თქვა წყალბადის ატომის სპექტრმა // კვანტი. - 1991. - No 3. - S. 44-47.

სპეციალური შეთანხმებით სარედაქციო კოლეგიასთან და ჟურნალ „კვანტის“ რედაქტორებთან.

როგორც ცნობილია, იზოლირებული ატომების გამოსხივება, მაგალითად, მონატომური აირების ან გარკვეული ლითონების ორთქლის ატომები, გამოირჩევა უდიდესი სიმარტივით. ასეთი სპექტრები არის სხვადასხვა ინტენსივობის დისკრეტული სპექტრული ხაზების ნაკრები, რომლებიც შეესაბამება სხვადასხვა ტალღის სიგრძეს. მათ უწოდებენ ხაზის სპექტრებს.

აირების ან ორთქლის ბზინვარებით, რომელთა მოლეკულები შედგება რამდენიმე ატომისგან, ჩნდება ზოლიანი სპექტრები - სპექტრული ხაზების ჯგუფების ნაკრები. დაბოლოს, გაცხელებული სითხეებისა და მყარი ნივთიერებების მიერ გამოსხივებულ გამოსხივებას აქვს უწყვეტი სპექტრი, რომელიც შეიცავს ყველა შესაძლო ტალღის სიგრძეს.

გარდა ემისიის სპექტრისა, არსებობს შთანთქმის სპექტრებიც. მოდით გადავიტანოთ, მაგალითად, სინათლე უწყვეტი სპექტრის წყაროდან ნატრიუმის ორთქლის მეშვეობით. შემდეგ უწყვეტი სპექტრის ყვითელ რეგიონში ჩნდება ორი მუქი ხაზი - ნატრიუმის შთანთქმის სპექტრის ხაზები. სპექტრული ხაზების შექცევადობის თვისება ძალზე მნიშვნელოვანია: ატომები შთანთქავენ იმ სპექტრულ ხაზებს, რომლებსაც ეს იგივე ატომები ასხივებენ. აღსანიშნავია, რომ თითოეული ქიმიური ელემენტის ატომი ქმნის ხაზოვან სპექტრს სპექტრული ხაზების მხოლოდ საკუთარი კომბინაციით, რომლებიც მდებარეობს ელექტრომაგნიტური ტალღის მასშტაბის სხვადასხვა ადგილას - როგორც მის ხილულ რეგიონში, ასევე მეზობელ უხილავ ულტრაიისფერ და ინფრაწითელ რეგიონებში. ისევე, როგორც დედამიწაზე არ არსებობს ორი ადამიანი ერთი და იგივე სახეებით, ბუნებაში არ არსებობს ორი ქიმიური ელემენტი, რომელთა ატომებსაც ექნებოდათ იგივე სპექტრები.

გამოდის, რომ ხაზის სპექტრები ძალიან მჭიდროდ არის დაკავშირებული ატომის ეგრეთ წოდებული ვალენტური ელექტრონების ქცევასთან. ფაქტია, რომ ატომში ელექტრონები განლაგებულია ბირთვის ირგვლივ ფენებად, ანუ გარსებად, სადაც ელექტრონებს განსხვავებული ენერგია აქვთ. გარდა ამისა, სხვადასხვა გარსი არ შეიცავს ელექტრონების ერთსა და იმავე რაოდენობას. ბირთვიდან ყველაზე შორს, ეგრეთ წოდებულ გარე ენერგეტიკულ გარსში, სხვადასხვა ატომს აქვს ელექტრონების განსხვავებული რაოდენობა - ერთიდან რვამდე. მაგალითად, ნატრიუმის ატომს აქვს მხოლოდ ერთი ელექტრონი მის გარე გარსში, ნახშირბადის ატომს აქვს ოთხი ასეთი "გარე" ელექტრონი, ხოლო ქლორს აქვს შვიდი. ქიმიკოსები გარე ელექტრონებს ვალენტობას უწოდებენ - ისინი განსაზღვრავენ ატომების ვალენტობას, ანუ მათ უნარს შევიდნენ ქიმიურ ნაერთებში სხვა ატომებთან. ფიზიკოსები ატომების გარე ელექტრონებს ოპტიკურს უწოდებენ - ეს ელექტრონები განსაზღვრავენ ატომების ყველა ოპტიკურ თვისებას და, პირველ რიგში, მათ სპექტრებს.

ბალინერის ხაზები წყალბადის ატომის სპექტრში

წყალბადის ატომი ატომებიდან ყველაზე მარტივია, ის შედგება მხოლოდ ერთი პროტონისა (ბირთვი) და ერთი ელექტრონისაგან. მაშასადამე, წყალბადის ატომის ხაზის სპექტრი ასევე ყველაზე მარტივია. სწორედ ამ სპექტრის შესწავლიდან დაიწყო თეორიული სპექტროსკოპია, ატომების, მოლეკულების და ნივთიერებების სპექტრების შესწავლა აგრეგაციის სხვადასხვა მდგომარეობაში.

პირველად წყალბადის სპექტრის ხაზები დააკვირდა და დეტალურად აღწერა გერმანელმა ფიზიკოსმა ი.ფრაუნჰოფერმა. ეს იყო ახლა ცნობილი Fraunhofer მუქი შთანთქმის ხაზები მზის სპექტრში. ისინი წარმოიქმნება მაშინ, როდესაც მზის გამოსხივება გადის მისი ქრომოსფეროს გარშემო არსებულ გაზებში. თავდაპირველად ფრაუნჰოფერმა აღმოაჩინა მხოლოდ 4 ხაზი, რომელიც მოგვიანებით გახდა ცნობილი როგორც ხაზები ჰ α , ჰ β , ჰγ და ჰ δ .

1885 წელს ბაზელის (შვეიცარია) საშუალო სკოლის ფიზიკის მასწავლებელმა ი.ბალმერმა გულდასმით გააანალიზა ფრაუნჰოფერისა და მისი მიმდევრების მიერ გადაღებული ფოტოები და შენიშნა შემდეგი. თუ შეიყვანთ ზოგიერთ (როგორც ბალმერმა უწოდა, მთავარ) ნომერს კ, შემდეგ ხაზების ტალღის სიგრძე ჰ α , ჰ β , ჰγ და ჰδ შეიძლება გამოიხატოს შემდეგნაირად:

\(~\begin(მატრიცა) \lambda_(H_(\alpha)) = \dfrac 95 k \\ \lambda_(H_(\beta)) = \dfrac 43 k \\ \lambda_(H_(\გამა)) = \dfrac(25)(21) k \\ \lambda_(H_(\delta)) = \dfrac 98 k\end(მატრიცა)\) .

4-ზე გამრავლებით მრიცხველები და მნიშვნელები წილადებში \(~\dfrac 43\) და \(~\dfrac 98\), ბალმერმა მიიღო საოცარი ნიმუში: ყველა წრფის ტალღის სიგრძის გამონათქვამებში მრიცხველები შეიძლება წარმოდგენილი იყოს როგორც კვადრატული რიცხვების თანმიმდევრობა -

\(~3^2, 4^2, 5^2, 6^2\) ,

და მნიშვნელები - როგორც კვადრატების განსხვავებების თანმიმდევრობა -

\(~3^2 - 2^2, 4^2 - 2^2, 5^2 - 2^2, 6^2 - 2^2\) .

ამრიგად, ბალმერმა შეძლო დაეწერა ერთი ფორმულა ოთხი ხაზის ტალღის სიგრძისთვის:

\(~\ლამბდა = k \dfrac(n^2)(n^2 - 2^2)\) .

სადაც ნ= 3, 4, 5 და 6 შესაბამისად ხაზებისთვის ჰ α , ჰ β , ჰγ და ჰδ. Თუ λ იზომება ანგსტრომებში (1 A \u003d 10 -10 მ), შემდეგ რიცხვი კბალმერის მიხედვით, ის უდრის 3645 A-ს.

სხვა ხაზები მალევე აღმოაჩინეს წყალბადის შთანთქმის სპექტრში (დაახლოებით 30 ხაზი ახლა ცნობილია მხოლოდ სპექტრის ხილულ რეგიონში) და მათი ტალღის სიგრძეც „ჯდება“ ბალმერის ფორმულაში. სიზუსტით, რომლითაც ეს მიიღება, შეიძლება ვიმსჯელოთ ცხრილიდან, რომელიც გვიჩვენებს პირველი შვიდი ხაზის ტალღის სიგრძის (ანგსტრომებში) დაკვირვებისა და გამოთვლის შედეგებს, რისთვისაც რიცხვი ნიცვლება 3-დან 9-მდე:

ეს ფიგურები აჩვენებს, რომ გამოთვლები სპექტროსკოპიაში კეთდება არაჩვეულებრივი სიზუსტით. სპექტროსკოპიული გამოთვლების მოსვლამდე ითვლებოდა, რომ ასტრონომიაში გამოთვლებს უდიდესი სიზუსტე ჰქონდა. თუმცა, აღმოჩნდა, რომ სპექტროსკოპიაში გამოთვლების სიზუსტე არათუ არ ჩამოუვარდება, არამედ რიგ შემთხვევებში w აღემატება ასტრონომიულ სიზუსტეს.

ბალმერი იმედოვნებდა, რომ სხვა ატომების სპექტრები, უფრო რთული ვიდრე წყალბადი, ასევე შეიძლებოდა მისი აღმოჩენის მსგავსი ფორმულებით აღწეროთ. მისი აზრით, სხვა ელემენტების ატომების „ძირითადი რიცხვის“ პოვნა ძალიან რთული ამოცანა იქნება. საბედნიეროდ მთელი ატომური ფიზიკის და განსაკუთრებით სპექტროსკოპიისთვის, ბალმერი არასწორი იყო. ღირებულება კშეიყვანა ყველა ქიმიური ელემენტის ატომების გამოსხივების სპექტრულ ფორმულებში 1 [თუმცა თავად ფორმულები განსხვავდება ბალმერისგან ერთი რიგი კორექტირების ტერმინებით).

რიდბერგის მუდმივი. წყალბადის ატომის სრული სპექტრი

1890 წელს შვედმა სპექტროსკოპიის ფიზიკოსმა რიდბერგმა დაწერა ბალმერის ფორმულა "შებრუნებული" სახით, რაოდენობრივად \(~N = \dfrac(1)(\lambda)\). მას უწოდებენ ტალღის რიცხვს და გვიჩვენებს, თუ რამდენი ტალღის სიგრძე ჯდება ვაკუუმში სიგრძის ერთეულში. ტალღის რიცხვი ადვილად უკავშირდება სინათლის სიხშირეს. ν :

\(~\nu = \dfrac(c)(\lambda) = cN\) ,

სადაც გარის სინათლის სიჩქარე. სპექტროსკოპიაში ყოველთვის საქმე გვაქვს ტალღის რიცხვებთან და არა სიხშირეებთან. ეს გამოწვეულია იმით, რომ ტალღების სიგრძე და, შესაბამისად, ტალღების რიცხვები, შეიძლება განისაზღვროს ემპირიულად ბევრად უფრო დიდი სიზუსტით, ვიდრე სიხშირეები. (გაითვალისწინეთ, რომ ზოგჯერ ტალღის რიცხვი აღინიშნება იმავე ასოებით ν , რომელიც არის რხევის სიხშირე. მართალია, კონტექსტიდან, როგორც წესი, ნათელია, რა არის ნათქვამი, მაგრამ ზოგჯერ ეს იწვევს არასაჭირო დაბნეულობას.)

ბალმერის ფორმულის „შებრუნებით“ ვიღებთ ტალღის რიცხვს

\(~N = \dfrac(1)(\lambda) = \dfrac(1)(k) \dfrac(n^2 - 4)(n^2) = \dfrac(4)(k) \left(\ dfrac(1)(2^2) - \dfrac(1)(n^2) \მარჯვნივ)\) .

აღნიშნეთ მუდმივი მნიშვნელობა \(~\dfrac(4)(k)\)-ით რ(რიდბერგის გვარის პირველი ასო). საბოლოოდ, ბალმერის ფორმულა შეიძლება დაიწეროს იმ ფორმით, რომელშიც ის ჩვეულებრივ გამოიყენება:

\(~N = R \left(\dfrac(1)(2^2) - \dfrac(1)(n^2) \მარჯვნივ)\) , სადაც ნ = 3, 4, 5, 6 ,…

ბალმერის ფორმულა აჩვენებს, რომ რიცხვის ზრდასთან ერთად ნ"მეზობელი" სპექტრული ხაზების ტალღის რიცხვებს უფრო მჭიდრო მნიშვნელობები აქვთ (მათ შორის განსხვავება მცირდება) - სპექტრული ხაზები იყრის თავს. ყველა სპექტრული ხაზი, რომლის ტალღის რიცხვი გამოითვლება ბალმერის ფორმულით, ქმნის ბალმერის სპექტრულ სერიას. ბალმერის სერიის სპექტრული ხაზების უდიდესი რაოდენობა (37 სტრიქონი) აღმოჩნდა მზის ქრომოსფეროს სპექტრში და ამონაკვეთებში (მზეზე წარმოქმნილი და მისგან გამოდევნილი ცხელი აირების ღრუბლები). რიდბერგის მუდმივი გაზომილია დიდი სიზუსტით ბალმერის სერიის ხაზებზე. ის თანაბარი იყო რ= 109677.581 სმ -1.

სპექტრის ხილულ რეგიონში წყალბადის სპექტრის ხაზების ტალღის სიგრძის გაზომვის შედეგების გასაოცარმა დამთხვევამ ბალმერის ფორმულის გამოყენებით გამოთვლებით აიძულა მკვლევარები შეესწავლათ წყალბადის სპექტრი სხვა სფეროებში. ეს ძიება წარმატებული იყო. ბალმერის სერიის გარდა წყალბადის ატომის სპექტრში აღმოაჩინეს სხვა სერიები და ყველა მათგანი აღწერილი იყო ბალმერის ფორმულის მსგავსი სპექტრული ფორმულებით.

ასე რომ, სპექტრის შორეულ ულტრაიისფერ ნაწილში - ტალღის სიგრძის რეგიონში ~ 1200 A და ნაკლები - ლიმანმა აღმოაჩინა ხაზების სერია, რომელსაც ახლა ლიმანის სერია ეწოდება:

\(~N = R \left(\dfrac(1)(1^2) - \dfrac(1)(n^2) \მარჯვნივ)\) , სადაც ნ = 2, 3, 4, …

სპექტრის ინფრაწითელ ნაწილში ნაპოვნი იქნა სპექტრული ხაზების სამი სერია: ტალღის სიგრძის დიაპაზონში 10000-დან 20000 A-მდე - Paschen სერია, რომელიც აღწერილია ფორმულით.

\(~N = R \left(\dfrac(1)(3^2) - \dfrac(1)(n^2) \მარჯვნივ)\) , სადაც ნ = 4, 5, 6, …

40000 A-სთან ახლოს ტალღის სიგრძის რეგიონში, Brackett-ის სერია

\(~N = R \left(\dfrac(1)(4^2) - \dfrac(1)(n^2) \მარჯვნივ)\) , სადაც ნ = 5, 6, …

საბოლოოდ, ძალიან შორს ინფრაწითელ რეგიონში, 75000 A-სთან ახლოს - Pfund სერია

\(~N = R \left(\dfrac(1)(5^2) - \dfrac(1)(n^2) \მარჯვნივ)\) , სადაც ნ = 6, 7, …

ამრიგად, წყალბადის ატომში ნაპოვნი ყველა სპექტრული ხაზი სპექტრის სხვადასხვა ნაწილში შეიძლება დაიფაროს ერთი ზოგადი ფორმულით - ბალმერ-რიდბერგის ფორმულით.

\(~N = R \left(\dfrac(1)(m^2) - \dfrac(1)(n^2) \მარჯვნივ)\) .

ამ ფორმულაში, ხაზების თითოეული სერიისთვის არის რიცხვი მაქვს მუდმივი მნიშვნელობა 1-დან 5-მდე: მ=1, 2, 3, 4, 5 და ამ სერიის შიგნით რიცხვი ნიღებს მზარდი რიცხვითი მნიშვნელობების სერიას, დაწყებული მ + 1.

ობიექტური:

1. გამოიკვლიეთ წყალბადის ატომის სპექტრის ხილული ნაწილი.

2. განსაზღვრეთ რიდბერგის მუდმივი და წყალბადის ატომის იონიზაციის ენერგია.

ნაშრომის ძირითადი თეორიული დებულებები.

კლასიკური ფიზიკის კანონები აღწერს უწყვეტ პროცესებს. ატომი, რომელიც შედგება დადებითად დამუხტული ბირთვისა და მის გარშემო მყოფი ელექტრონებისგან, ამ კანონების მიხედვით, წონასწორობაში იქნება მხოლოდ იმ შემთხვევაში, თუ ელექტრონები განუწყვეტლივ მოძრაობენ ბირთვის გარშემო გარკვეულ ორბიტებში. მაგრამ კლასიკური ელექტროდინამიკის თვალსაზრისით, აჩქარებით მოძრავი ელექტრონები ასხივებენ ელექტრომაგნიტურ ტალღებს, რის შედეგადაც ისინი კარგავენ ენერგიას და თანდათან ეცემა ბირთვზე. ამ პირობებში ელექტრონის რევოლუციის სიხშირე მუდმივად იცვლება და ატომის ემისიის სპექტრი უნდა იყოს უწყვეტი. როდესაც ელექტრონი ხვდება ბირთვს, ატომი წყვეტს არსებობას.

მარტივი გამოთვლებით შეიძლება დავრწმუნდეთ, რომ დროის ინტერვალი, რომლის შემდეგაც ელექტრონი ეცემა ბირთვს, არის 10 -11 წმ. ექსპერიმენტმა აჩვენა, რომ ატომური სპექტრები შედგება ცალკეული ხაზებისგან ან ხაზების ჯგუფებისგან. ეს ყველაფერი იმაზე მეტყველებს, რომ პროცესები, რომლებშიც მონაწილეობენ მიკრო-ობიექტები, ხასიათდება უწყვეტობით (დისკრეტულობით), ხოლო კლასიკური ფიზიკის მეთოდები, ზოგადად, არ გამოიყენება ატომშიდა მოძრაობების აღწერაში.

1913 წელს ნ. ბორმა მოახერხა თანმიმდევრული თეორიის აგება, რომელიც წარმატებით ხსნიდა წყალბადის ატომის სტრუქტურას. ბორმა გაავრცელა M. Planck-ის პოსტულატი (1900) ოსცილატორების სტაბილური სტაციონარული მდგომარეობის არსებობის შესახებ (რაც აუცილებელი წინაპირობაა შავი სხეულის გამოსხივების სწორი ფორმულისთვის) ნებისმიერ ატომურ სისტემაზე. ბორის თეორია ემყარება ორ პოსტულატს:

1. ატომს და ატომურ სისტემებს დიდი ხნის განმავლობაში შეუძლიათ დარჩენა მხოლოდ გარკვეულ (სტაციონარული) მდგომარეობებში, რომლებშიც, მიუხედავად მათში დამუხტული ნაწილაკების მოძრაობისა, ისინი არ ასხივებენ და არ შთანთქავენ ენერგიას. ამ მდგომარეობებში ატომურ სისტემებს აქვთ ენერგიები, რომლებიც ქმნიან დისკრეტულ სერიას: E 1 , E 2 , ..., E n . ამ მდგომარეობებს ახასიათებთ სტაბილურობა: ენერგიის ნებისმიერი ცვლილება ელექტრომაგნიტური გამოსხივების შთანთქმის ან გამოსხივების შედეგად ან შეჯახების შედეგად შეიძლება მოხდეს მხოლოდ ერთი მდგომარეობიდან მეორეში სრული გადასვლისას (ნახტომით).

2. ერთი მდგომარეობიდან მეორეში გადასვლისას ატომები ასხივებენ (ან შთანთქავენ) მხოლოდ მკაცრად განსაზღვრული სიხშირის გამოსხივებას. Em ენერგიის მქონე მდგომარეობიდან E n-ზე გადასვლისას გამოსხივებული (ან შეიწოვება) გამოსხივება მონოქრომატულია და მისი სიხშირე განისაზღვრება მდგომარეობიდან.

ორივე პოსტულატი ეწინააღმდეგება კლასიკური ელექტროდინამიკის მოთხოვნებს. პირველ პოსტულატში ნათქვამია, რომ ატომები არ ასხივებენ, თუმცა მას ქმნიან ელექტრონები აჩქარებულ მოძრაობას (მიმოქცევა დახურულ ორბიტებში). მეორე პოსტულატის მიხედვით, ემიტირებული სიხშირეები არაფერ შუაშია ელექტრონების პერიოდული მოძრაობის სიხშირეებთან.

ნივთიერების ემისიის სპექტრი არის მისი მნიშვნელოვანი მახასიათებელი, რომელიც საშუალებას გაძლევთ დაადგინოთ მისი შემადგენლობა, მისი სტრუქტურის ზოგიერთი მახასიათებელი, ატომებისა და მოლეკულების თვისებები.

გაზის ატომები ასხივებენ ხაზის სპექტრებს, რომლებიც შედგება ცალკეული სპექტრალური ხაზების ჯგუფებისგან, რომელსაც ე.წ სპექტრალური სერია. უმარტივესი სპექტრი წყალბადის ატომია. უკვე 1885 წელს ბალმერმა აჩვენა, რომ სპექტრის ხილულ ნაწილში მდებარე ოთხი ხაზის ტალღის სიგრძე შეიძლება ძალიან ზუსტად იყოს წარმოდგენილი ემპირიული ფორმულით.

სადაც n = 3, 4, 5, 6,…, V არის ემპირიული მუდმივი.

ამ ფორმულით გამოხატული კანონზომიერება განსაკუთრებით ცხადი ხდება, თუ ის წარმოდგენილია იმ ფორმით, რომელშიც ჩვეულებრივ გამოიყენება ამჟამად:

რაოდენობას ზოგჯერ აღნიშნავენ და უწოდებენ სპექტროსკოპიული ტალღის ნომერი.მუდმივი ეწოდება რიდბერგის მუდმივი.ამრიგად, ჩვენ საბოლოოდ მივიღებთ

როგორც ხაზის ნომერი n იზრდება, ხაზის ინტენსივობა მცირდება. ასევე მცირდება სხვაობა მეზობელი ხაზების ტალღოვან რიცხვებს შორის. n = ∞-ისთვის მიიღება მუდმივი მნიშვნელობა =. თუ სქემატურად წარმოვადგენთ (4)-ით განსაზღვრული სპექტრული ხაზების მდებარეობას და პირობითად გამოვსახავთ მათ ინტენსივობას ხაზის სიგრძით, მივიღებთ ნახატ 1-ზე გამოსახულ სურათს.

სპექტრული ხაზების ერთობლიობა, რომელიც თავის თანმიმდევრობასა და ინტენსივობის განაწილებაში ავლენს ნახ. 1-ში ნაჩვენები კანონზომიერებას, ე.წ. სპექტრალური სერია. შემზღუდველი ტალღის სიგრძე, რომლის გარშემოც ხაზები სქელდება, როგორც n → ∞ ეწოდება სერიის საზღვარი.ფორმულით აღწერილ სერიას (4) ეწოდება ბალმერის სერია.

ბალმერის სერიებთან ერთად წყალბადის ატომის სპექტრში ნაპოვნი იქნა სხვა რიგი, რომლებიც წარმოდგენილია სრულიად ანალოგიური ფორმულებით.

ულტრაიისფერ რეგიონში აღმოაჩინეს ლიმანის სერია:

სპექტრის ინფრაწითელ რეგიონში აღმოაჩინეს

Paschen სერია

Bracket სერია

Pfund სერია

ჰემფრის სერია

ამრიგად, ატომური წყალბადის ყველა ცნობილი სერია შეიძლება წარმოდგენილი იყოს ე.წ განზოგადებული ბალმერის ფორმულით:

სადაც m თითოეულ სერიაში აქვს მუდმივი მნიშვნელობა, ხოლო n არის მთელი რიცხვების სერია, რომელიც იწყება m+1-დან.

ფორმულის (10) ფიზიკური მნიშვნელობის ძიებამ გამოიწვია წყალბადის ატომის კვანტური თეორიის შექმნა. შროდინგერის განტოლება იწერება ასე:

სადაც Ψ(r) არის ტალღური ფუნქცია, რომელიც აღწერს ატომში ელექტრონის მდგომარეობას, E არის ელექტრონის მთლიანი ენერგია.

ამ განტოლების ამოხსნა არის წყალბადის ატომის მთლიანი ენერგიის შესაძლო მნიშვნელობების სპექტრი:

(1) მიხედვით, მდგომარეობათა შორის გადასვლის სიხშირე განისაზღვრება იმით

მეორე მხრივ, ცნობილი ფორმულის მიხედვით

(12), (13) და (14) კომბინაციით მივიღებთ:

ემთხვევა განზოგადებულ ბალმერის ფორმულას.

რიდბერგის მუდმივის (16) თეორიული მნიშვნელობა კვლავ მნიშვნელოვნად განსხვავდება სპექტროსკოპიული გაზომვებით მიღებული ექსპერიმენტული მნიშვნელობისაგან. ეს გამოწვეულია იმით, რომ ფორმულის (16) გამოყვანისას კეთდება ორი დაშვება: ა) ატომის ბირთვის მასა უსასრულოდ დიდია ელექტრონის მასასთან შედარებით (აქედან გამომდინარე, სიმბოლო "∞" აღნიშვნისას. ა) და ბ) ბირთვი უმოძრაოა. სინამდვილეში, მაგალითად, წყალბადის ატომისთვის, ბირთვის მასა ელექტრონის მასაზე მხოლოდ 1836,1-ჯერ აღემატება. ამ გარემოების აღრიცხვა იწვევს შემდეგ ფორმულას:

სადაც M არის ატომის ბირთვის მასა. ამ მიახლოებით, რიდბერგის მუდმივი დამოკიდებულია ბირთვის მასაზე და, შესაბამისად, მისი მნიშვნელობები წყალბადის მსგავსი სხვადასხვა ატომებისთვის განსხვავდება ერთმანეთისგან (ნახ. 2).

სურ.2 ნახ.3

ატომის შესახებ ინფორმაციის მთელი ნაკრების მისაღებად მოსახერხებელია ენერგიის დონის დიაგრამის გამოყენება (ნახ. 3). ჰორიზონტალური სწორი ხაზები შეესაბამება წყალბადის ატომის სხვადასხვა ენერგეტიკულ მდგომარეობას. როგორც სახელმწიფო რიცხვი იზრდება, მანძილი მეზობელ დონეებს შორის მცირდება და ქრება ლიმიტში. შეერთების წერტილის ზემოთ არის არაკვანტიზებული დადებითი ენერგიების უწყვეტი რეგიონი. ნულოვანი ენერგიის დონე მიიღება n = ∞ დონის ენერგიად. ამ მნიშვნელობის ქვემოთ ენერგიის დონეები დისკრეტულია. ისინი შეესაბამება ატომის მთლიანი ენერგიის უარყოფით მნიშვნელობებს. ეს გარემოება მიუთითებს იმაზე, რომ ელექტრონის ენერგია ასეთ მდგომარეობებში ნაკლებია მის ენერგიაზე იმ შემთხვევაში, როდესაც ის გამოყოფილია ატომისგან და დგას უსასრულო მანძილზე, ანუ ელექტრონი შეკრულ მდგომარეობაშია.

შეუზღუდავი ელექტრონების არსებობა შესაძლებელს ხდის კვანტურ გადასვლებს უწყვეტი ენერგიის სპექტრის მდგომარეობებს შორის, ასევე ასეთ მდგომარეობებსა და დისკრეტული ენერგეტიკული სპექტრის მდგომარეობებს შორის. ეს ჩნდება, როგორც უწყვეტი ემისიის ან შთანთქმის სპექტრი, რომელიც ატომის ხაზის სპექტრზეა გადანაწილებული. ამიტომ, სპექტრი არ ჩერდება სერიის საზღვრებზე, არამედ გრძელდება მის მიღმა უფრო მოკლე ტალღის სიგრძისკენ, სადაც ხდება უწყვეტი. უწყვეტი სპექტრის მდგომარეობიდან (ისეთი მდგომარეობები, რომლებშიც ატომი იონიზებულია) დისკრეტული სპექტრის მდგომარეობებზე გადასვლას თან ახლავს ელექტრონის და დადებითი იონის რეკომბინაცია. მიღებულ გამოსხივებას ე.წ რეკომბინაცია.

ატომის გადასვლა ნორმალური მდგომარეობიდან დისკრეტული სპექტრის უფრო მაღალ ენერგეტიკულ დონეზე არის ატომის აგზნება.ატომის გადასვლა დისკრეტული სპექტრის ერთ-ერთი დონიდან უწყვეტი სპექტრის რეგიონში ატომს აქცევს შეუზღუდავ სისტემად. ეს არის პროცესი ატომის იონიზაცია. გრძელი ტალღების მხრიდან უწყვეტი სპექტრის დასაწყისის ტალღის რიცხვის შესაბამისი ენერგია (სერიის საზღვრის ტალღის ნომერი) უნდა იყოს ტოლი იონიზაციის ენერგია,ანუ ენერგია, რომელიც საჭიროა ელექტრონის ატომიდან გამოსაყოფად და უსასრულო მანძილზე ამოღებისთვის. ამრიგად, ლიმანის სერიის საზღვრის ტალღის რიცხვი იძლევა წყალბადის ატომის იონიზაციის ენერგიას მიწაში, ყველაზე სტაბილურ მდგომარეობაში.

ამ ნაშრომში ჩვენ ვსწავლობთ ბალმერის სერიის პირველ ოთხ ხაზს, რომლებსაც აქვთ შემდეგი აღნიშვნები:

წითელი ხაზი (n = 3),

ლურჯი - ლურჯი ხაზი (n = 4),

ლურჯი ხაზი (n=5),

იასამნისფერი ხაზი (n = 6).