Все спектры испускания атомов, именно щелочных металлов, как и все спектры водорода, имеют в своем составе несколько серий линий. Самые интенсивные из них приобрели названия:
- основная (либо серия Бергмана);
- резкая;
- главная;
- диффузная.
Все названия еще имеют происхождение:
- Серия Бергмана называется основной (либо фундаментальной).
- Диффузная и резкая серия состоит именно из размытых (диффузных) и резких линий. Даже Ридберг в конце прошлого столетия смог установить эмпирические формулы, которые позволяют вычислить частоту серии щелочных металлов.
Резонансное возбуждение автоионизационных состояний атомов щелочных металлов электронным ударом
Наблюдается несколько серий линий и наиболее интенсивные из них получили названия на основе наблюдаемых экспериментально особенностей:
- Резкая (sharp) – линии этой серии выглядели очень четкими и яркими.
- Главная (principal) – линии этой серии наблюдались и в спектрах поглощения и спектрах испускания, что указывало, что они соответствуют переходу атомов в основное состояние.
- Размытая (diffuse) – линии этой серии выглядели размытыми, нечеткими.
- Основная (fundamental) – линии этой серии напоминали серии линий атома водорода.
Установлено, что рассмотренные серии линий связаны с переходами внешнего (валентного) или оптического электрона.
Возбуждение одного электрона с субвалентной оболочки, или двух и более электронов из валентной оболочки приводит к переходу атома в энергетические состояния, они расположены выше потенциала его ионизации. Такие состояния очень нестабильны во времени и, как правило, распадаются с образованием равнозарядного иона и свободного электрона. Они получили название автоионизационных, а соответствующий процесс их распада - автоионизации атома.
Рисунок 1. Спектры щелочных металлов с одним внешним электроном. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Анализ результатов предыдущих исследований автоионизационных процессов показывает, что с широкой гаммы различного типа экспериментов наиболее плодотворными следует считать спектроскопию фотопоглощения и электронную спектроскопию, совмещенную с техникой атомных и электронных пучков, которые пересекаются. В частности, достаточно полно исследованы электронные спектры фотопоглощения атомов щелочных, автоионизационные спектры и щелочно-земельных металлов, инертных газов, а также простейших молекул.
В некоторых случаях была осуществлена спектроскопическая классификация линий, произведена оценка сечений возбуждения и времени жизни автоионизационных состояний (АИС). В то же время эти результаты показали, что для надежной интерпретации данных и, особенно, для установления механизма образования и распада АИС необходимые измерения энергетических зависимостей сечений возбуждения (т.н. функции возбуждения (ФЗ) у порога процесса с использованием моноэнергетических электронных пучков.
Исследование автоионизации атомов металлов с использованием метода электронной спектроскопии были начаты на кафедре квантовой электроники по инициативе Ивана Прохоровича Записочный еще на начало 70-х годов прошлого века.
Систематические исследования возбуждения внешней оболочки в атомах щелочно-земельных элементов обнаружили увеличение эффективности этого процесса в припороговые области энергии. Именно эти результаты, а также полученные в то время данные по энергетическим зависимостей сечений возбуждения автоионизационных уровней, распадающихся в оптическом канале, позволяли предположить, что подпороговое возбуждения субвалентной р6 оболочки в атомах щелочных металлов должен иметь выразительный резонансный характер.
На это косвенно указывали также данные с сечений электронной ионизации этих металлов, где наблюдался резкий рост сечения на пороге возбуждения р6 оболочки.
Уровни различных рядов
Вся схема уровней натрия полностью отличается от схемы уровней водородного атома именно тем, что похожие уровни в разных рядах лежат на совершенно разной высоте. Но, несмотря на данное отличие, эти две схемы имеют большое сходство. Данное сходство предполагает, что именно спектры щелочных металлов могут испускаться при переходе внешнего (то есть оптического либо валентного) электрона с одного уровня на второй.
Понятно, что вся энергия состояния оказывается полностью зависящей, помимо числа n, и от того, в какой ряд может попасть этот терм, то есть от конкретного номера ряда термов. На различных уровнях атома водорода существуют разные ряды термов (то есть с совпадающими уровнями по высоте). Они имеют отличительные значения момента для импульса электрона. Но предположить, что разные ряды термов щелочных металлов могут отличаться значениями момента импульса именно оптического электрона. Потому, как уровни разных рядов в данном случае не лежат именно на одинаковой высоте, необходимо принять, что вся энергия оптического электрона в атоме щелочного металла полностью зависит от величины момента импульса электрона.
Также в очень сложных атомах, чем водород, которые имеют несколько электронов, можно решить, что любой электрон может двигаться в усредненном поле ядра и всех остальных электронов. То есть данное поле не будет кулоновским, но имеет центральную симметрию. Поэтому, в зависимости от степени проникновения электрона в самую глубь атома заряда ядра, конечно же, будет для этого электрона в меньшей или большей степени экранироваться прочими электронами, потому, как эффективный заряд, который воздействует на рассматриваемый электрон - постоянным не будет. Так как, все электроны могут двигаться в атоме с очень большими скоростями, и усредненное по времени поле считают центрально-симметричным.
Решение уравнения Шредингера
В первую очередь, решение уравнения Шредингера для электрона, который двигается в центрально-симметричном некулоновском поле, дает итог, похожий на результат для водородного атома, но с отличием, что все энергетические уровни полностью зависят не только от квантового числа $n$, но еще и от квантового числа $l$.
Именно поэтому, в данном случае полностью снимается вырождение $n$. Но отличие в энергии между состояниями с одинаковыми и различными $n$ не велико, как между состояниями с разнообразными $n$. Также с постепенным увеличением вся энергия уровней с одинаковыми $n$ постепенно начинает возрастать.
Все числа могут определить момент импульса любого электрона, а также его проекцию на конкретно заданное направление. Конечно, момент импульса атома полностью состоит из некоторых моментов электронов, они входят именно в состав атома. Но все сложение моментов импульса могут осуществляться по квантовым законам.
