Закономерности в атомных спектрах водоро

Закономерности в атомных спектрах водорода.

Атомы, как вы знаете, излучают строго определенный набор длин волн. Каковы же эти длины?

Спектр – это набор частот (или длин волн) излучения, которое испускается данным телом. Нагретые твёрдые тела испускают сплошной спектр. Молекулы испускают полосатый спектр – определённые полосы или группы густо расположенных линий. Свободные, невзаимодействующие между собой, атомы имеют линейчатый спектр, состоящий из определённого набора частот (длин волн).

Спектр вещества является одной из его важнейших характеристик. В природе не существует двух одинаковых спектров. Этот факт лежит в основе спектрального анализа,который заключается в том, что вещества распознаются по их спектрам.

Изучение линейчатых спектров явилось ключом к пониманию строения атома.

При исследовании спектров было установлено, что линии спектров испускания расположены не хаотично, а образуют определенную закономерность. Все линии имеют тенденцию группироваться, образуя серии.

Наиболее простым закономерностям подчиняется спектр атома водорода.

Швейцарский физик Бальмер (1885 г.) показал, что длины волн в видимой области спектра атома водорода могут быть представлены в виде формулы:

Эта формула выполняется с огромной точностью, поэтому можно думать, что она выражает некоторую внутреннюю закономерность, присущую излучающим атомам. Самый удивительный и неожиданный факт состоит в том, что частоты световых колебаний, соответствующие линиям видимой части спектра водорода, определяются последовательными целыми числами к.

Все видимые спектральные линии водорода представляют собой серию. Разные линии соответствуют различным целочисленным значениям к. Эта серия получила название серии Бальмера.

Впоследствии были найдены аналогичные серии для ультрафиолетового и инфракрасного излучения водорода. Все линии спектра водорода можно выразить одной формулой:

где n и k — целые числа, причем к > n.

У других атомов закономерности, которым подчиняются спектральные наборы частот, более сложны, но всем им присуща общая черта. Частота всегда может быть представлена в виде разности двух членов — термов (по-английски). Различные термы можно попарно комбинировать друг с другом, и каждый раз будут получаться частоты спектральных линий, наблюдаемые экспериментально.

Сразу же возникает вопрос: каков механизм движения электронов в атомах, приводящий к данным простым спектральным закономерностям?

Видимо, серия спектральных линий должна вызываться каким-то одним общим механизмом. По теории Максвелла частота колебаний излученных волн должна совпадать с частотой колебаний электрона в атоме. Но как объяснить наличие очень большого числа спектральных линий? Каким образом один электрон может иметь большое число собственных частот колебаний? Макроскопические колебательные системы (например, струна) обладают, правда, набором собственных частот колебаний, но у них наряду с основной частотой имеются обертоны с частотами, кратными основной. В случае же светового излучения нет ничего подобного.

Объяснить линейчатый спектр излучения можно, только зная строение атома. В частности, простейшего атома — атома водорода.

Дальнейшие исследования показали, что в спектре водорода имеется еще несколько серий(рисунок 6.0):

Ясно было, что атом – сложная система, имеющая сложные атомные спектры (рисунок 6.1):

В конце XIX века учеными рассматривались многие модели атомов (рис. 6.2, а, б, в):

В 1903 году Дж. Дж. Томсон, предложил модель атома: сфера, равномерно заполненная положительным электричеством, внутри которой находятся электроны (рисунок 6.2, а). Атом в целом нейтрален: суммарный заряд сферы равен заряду электронов, однако спектр такого атома должен был быть сложным, но никоим образом не линейчатым, что противоречило экспериментам. Модель атома, изображенная на рисунке 6.2, б, состояла из сферы, в центре которой находилось положительно заряженное ядро, а вокруг него располагались электроны. Эта модель также не вписывалась в эксперименты. Наиболее известна в то время была планетарная модель атома, предложенная Э. Резерфордом (рисунок 6.2, в).

Вопросы для самоконтроля

1. Что такое спектр?

2. Что такое полосатый спектр?

3. Сформулируйте серию Бальмера.

4. Сформулируйте теорию Максвела.

5. Модели атомов.