Краткая теория. Как известно, вещества в твёрдом состоянии испускают излучение со сплошным спектром, одинаковым для всех тел

Как известно, вещества в твёрдом состоянии испускают излучение со сплошным спектром, одинаковым для всех тел. В разреженных газах или в парах металлов взаимодействие между отдельными атомами незначительно. Поэтому спектры таких газов состоят из отдельных спектральных линий различных частот, строго определённых для каждого химического элемента. Такой спектр называется линейчатым. Таким образом, по линейчатому спектру можно определить, какой элемент присутствует в газе.

Изучение атомных спектров послужило ключом к познанию строения атомов. Было замечено, что линии в спектрах атомов расположены не беспорядочно, а объединяются в группы, которые получили название серий. Некоторые линии (или полностью серии линий) лежат в видимой области спектра, но бóльшая часть находится в инфракрасной или ультрафиолетовой областях спектра. Проще всего пронаблюдать эти закономерности на примере простейшего атома – атома водорода.

Длину волны l любой из линий, излучаемых водородом, можно представить так называемой сериальной формулой:

,

(11.1)

где R = 1,097×10⁷ м^–1 – постоянная Ридберга; n = 1, 2, 3, 4, 5 – номер серии; m и n – целые числа. При заданном n число m принимает значения, начиная с n + 1.

Серия линий номером n = 1 (серия Лаймана) соответствует ультрафиолетовому излучению; с номером n = 2 (серия Бальмера) – видимому излучению. Остальные серии линий спектра водорода лежат в инфракрасном диапазоне электромагнитных волн.

Объяснение закономерностей расположения линий в водородном спектре даёт теория атома водорода, предложенная Н.Бором. Он сформулировал законы движения электрона в атоме и характер излучения атома в виде постулатов, которые позволили объяснить экспериментальные факты.

Первый постулат. Электрон в атоме может двигаться только по строго определённым – стационарным орбитам, находясь на которых, он не излучает энергию. Радиус стационарных орбит определяется из следующего условия: момент импульса электрона кратен постоянной Планка, делённой на 2p:

; (n = 1, 2, 3, …).

(11.2)

Второй постулат. Излучение испускается или поглощается при переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую в виде электромагнитного кванта, энергия которого равна разности энергий тех стационарных состояний, между которыми совершается переход электрона:

.

(11.3)

С другой стороны, известно, что энергия кванта электромагнитного излучения прямо пропорциональна частоте излучения:

На рис. 11.1 схематически показаны стационарные орбиты и переходы электрона, которые связаны с появлением видимых линий в спектре атома водорода. Физический смысл чисел n и m легко понять с помощью формулы (11.3): это номера орбит, между которыми происходит переход электрона. Несмотря на удачное объяснение спектральных закономерностей водородоподобных атомов, теория Бора 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.