Теоретические сведения. Цель работы - ознакомиться со спектрами излучения атомарных газов; провести качественный эмиссионный спектральный анализ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3.4

ИЗУЧЕНИЕ СПЕКТРАЛЬНЫХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ИЗЛУЧЕНИЯ АТОМОВ

Цель работы - ознакомиться со спектрами излучения атомарных газов; провести качественный эмиссионный спектральный анализ.

Оборудование: монохроматор, набор спектральных разрядных трубок, блок питания разрядных трубок.

Теоретические сведения

По современным представлениям атом любого вещества состоит из ядра, заряженного положительно, и электронов, несущих отрицательный заряд. Электроны в атоме совершают сложное движение, которое только в первом приближении можно представить как вращение по эллиптическим орбитам вокруг ядра.

Каждый электрон вследствие своего движения и взаимодействия с ядром и другими электронами обладает определенным значением энергии Е, механического момента импульса L, связанного с движением электрона

по орбите и магнитного орбитального момента m_l. Кроме орбитальных, электрон имеет также и. собственные (спиновые) механический L_s, магнитный m_s –моменты. Bce эти величины могут принимать только дискретные значения, т.е. можно сказать, что величины, описывающие состояние электрона в атоме, квантуются.

Состояние каждого электрона в атоме характеризуется определенными

значениями четырех квантовых чисел n, l, m_l, m_s. Эти числа называются: n - главное квантовое число; l - орбитальное квантовое число; m_l - орбитальное магнитное (или просто магнитное) квантовое число; m_s - спиновое магнитное (или просто спиновое) квантовое число. Величина энергии электрона определяется в основном значением главного квантового числа n, которое может принимать только целые значения: 1,2, … ¥. В простейшем случае атома водорода энергия электрона полностью определяется значением главного квантового числа.

Орбитальное квантовое число l определяет величину орбитального момента импульса электрона. Модуль вектора орбитального момента импульса электрона:

, где

По теории Бора l определяет форму эллиптической орбиты электрона. При данном n орбитальное квантовое число может принимать целые

значения от нуля до (n- 1): .

В атомной физике применяются условные обозначения состояний электрона с различными значениями момента импульса. Электрон, находящийся в состоянии с l = 0, называют s - электроном (соответствующее состояние - s -состоянием), l = 1 - р электроном, l = 2 - d -электроном, l = 3 - f - электроном и т.д. Значение главного квантового числа указывается перед условным обозначением квантового числа l. Например, электрон в состоянии с n = 3 и l =1 обозначается З р.

Магнитное квантовое число m_l (определяет проекцию орбитального момента на какое-нибудь выделенное направление (обычно на ось z). При данном значении l магнитное квантовое число может принимать значения: 0, ± 1, ±2,..., + l -всего (2 l +1)значений.

Величина собственного момента импульса электрона (спина) равна:

где спиновое квантовое число S имеет одно единственное значение S = 1/2.

Спиновое магнитное квантовое число m_s, определяет проекцию спина электрона на выделенное направление и может принимать лишь два

значения ± 1/2:

Согласно принципу Паули, в одном и том же атоме не может быть двух электронов, обладающих одинаковой совокупностью четырех квантовых чисел: n, l, m_l, m_s, т.е. в одном и том же состоянии не могут находиться одновременно два электрона.

В атоме распределение электронов по энергетическим состояниям должно удовлетворять принципу минимума потенциальной энергии: с возрастанием числа электронов каждый следующий электрон должен занять возможное энергетическое состояние с наименьшей энергией. Заполнение электронами энергетических состояний в атоме должно происходит в соответствии с принципом Паули.

В состояниях с данным значением главного квантового числа могут находиться в атоме не более электронов:

Электроны в атоме, занимающие совокупность состояний с одинаковым n, образуют электронную оболочку. В каждой из оболочек электроны распределяются по подоболочкам, соответствующим данному l. Для полностью заполненной подоболочки характерно равенство нулю суммарного орбитального и спинового моментов электронов. Поэтому значения механического и магнитного моментов атома вещества определяются суммарными значениями соответствующих величин для электронов, входящих в незаполненную подоболочку (валентных электронов). Валентные электроны определяют химические и многие физические (в частности, магнитные, оптические) свойства вещества.

Рассмотрим, например, атом лития. В состоянии с n = 1 могут находиться только 2 электрона с анипараллельной ориентацией спинов (l = 0, m_s = ±1/2)- Третий электрон атома лития может занять лишь уровень с n =2 (2 s - электрон). Этот электрон, занимая более высокий энергетический уровень, оказывается слабее связан с ядром атома, чем 1 s - электроны; он и определяет физические и химические свойства атома лития (см. приложение).

Возможные значения энергии атома, называются энергетическими уровнями. Самый нижний уровень, соответствующий наименьшей возможной энергии, называется основным, а все остальные — возбужденными,т.к. для перевода на них электрона с основного уровня атом надо возбудить - сообщить ему энергию.

Оптические спектры возникают в результате переходов валентных электронов в атомах и молекулах из одного энергетического состояния в другое. Частота испускаемого при переходе излучения:

где E_i - энергия одного из уровней возбужденного состояния электрона в атоме; E_k - энергия более низкого уровня.

Вид спектра зависит от расположения энергетических уровней атомов. Набор линий в спектре, их расположение и интенсивность являются индивидуальным свойством атома. Это свойство используют для анализа атомного состава вещества.

Спектр испускания разреженных атомарных газов и их паров, представляющих собой совокупность невзаимодействующих атомов, - линейчатый т.е. состоит из отдельных узких линий, соответствующих частотам, характерным для атомов данного газа. Энергия кванта очень мала, но переход из возбужденного состояния, сопровождающийся испусканием энергии, происходит одновременно в огромном числе атомов. Поэтому яркость спектральных линий достаточна для наблюдения.

Не следует, однако, думать, что возможны любые переходы электронов, т.е. переходы с данного возбужденного уровня на любой из нижележащих. Существуют правила отбора (запрета), определяющие вероятность данного перехода. Теоретически доказано и экспериментально подтверждено, что для дипольного излучения электрона, движущегося в центрально симметричном поле ядра, могут осуществляться только такие переходы для которых, в соответствии с законом сохранения момента импульса:

1) изменение орбитального квантового числа Dl удовлетворяет условию:

D l = ±1;

изменение магнитного квантового числа Dm_l удовлетворяет условию:

Dm_l = 0, ±1.

В оптических спектрах указанные правила отбора в основном выполняются. Поэтому интенсивность данной спектральной линии тем больше, чем больше вероятность перехода электронов между соответствующими энергетическими уровнями.

Возбуждение атомов осуществляется разными путями. Один из них заключается в использовании газового разряда. К электродам газоразрядной трубки, заполненной разреженным газом, прикладывается высокое напряжение. Заряженные частицы, имеющиеся в газе, разгоняются электрическим полем, сталкиваются с нейтральными атомами и передают им свою энергию. В результате атомы либо ионизируются, либо переходят в возбужденное состояние.

В данной работе студентам предлагается провести качественный эмиссионный анализ газов.