Эффект Зеемана *

Когда какой-либо атом помещают в магнитное поле, спектр его излучения изменяется так, что каждая линия спектра ь/0) превращается в несколько близко расположенных линий и|, u>2, и;,, (расщепляется).

Причем величина расщепления ы„ - и> прямо пропорциональна индукции В внешнего магнитного поля. Это явление называется эффектом Зеемана.

Энергия атома в магнитном поле

где Е- внутренняя энергия атома; —jij В - энергия его взаимодействия с магнитным полем. Пусть

есть энергия атома в некотором состоянии 1, а

- его энергия в другом состоянии 2. При переходе атома из одного состояния в другое он испускает или поглощает фотон, энергия которого

- частота излучения в отсутствие магнитного поля. С учетом (21.49) получим формулу

где

которая описывает расщепление спектральной линии в магнитном поле.

Рентгеновские спектры атомов

Частоты излучения, испускаемого атомами, лежат в очень широком интервале от частот инфракрасного излучения до частот рентгеновского излучения. Электромагнитное излучение оптического спектра частот возникает при переходе одного из внешних (оптических) электронов из возбужденного состояния в основное. Квант характеристического рентгеновского излучения рождается при переходе электрона в один из внутренних слоев атома, когда там имеется свободное состояние.

Рентгеновское излучение создается в специальных рентгеновских трубках при бомбардировке антикатода электронами высоких энергий (см. рис. 17.5). Рентгеновское излучение, возникающее при торможении электронов в веществе, имеет сплошной спектр частот, который не зависит от материала антикатода. Когда энергия бомбардирующих антикатод электронов достаточно велика, некоторые из них, сталкиваясь с атомами, выбивают электроны из их внутренних слоев. Спустя некоторое время на освободившееся место переходит электрон из слоя большего радиуса. При таких переходах атом испускает кванты рентгеновского излучения, частоты которого характерны только для данного атома. Спектральные линии характеристического рентгеновского излучения видны на фоне сплошного спектра тормозного излучения (см. рис. 17.6). Рентгеновские спектры атомов в отличие от их оптических спектров имеют простое и одинаковое для всех атомов строение. Они состоят из нескольких серий, которые обозначают буквами A', L, Л/ и т.д. Каждая серия содержит небольшое число линий, обозначаемых в порядке убывания длины волны индексами а, /?, 7, ..., которые пишут у символа серии: А'0, Кр% ..., LQ} L/j, ...

Английский физик Генри Мозли открыл в 1913 г. закон, связывающий частоту какой-либо линии характеристического рентгеновского излучения с порядковым номером Z испускающего это излучение атома:

где величина а имеет одно и то же значение для всех линий одной серии, величина С для каждой линии принимает свое значение, но для всех атомов одинаковое, т.е. не зависящее от порядкового номера. Для всех линий А’-серии (7=1, для линий L-серии о = 7,5.

Рассмотрим один из электронов атома, который находится в слое под номером п. Воздействие на этот электрон со стороны других электронов можно приближенно оценить, если учесть, что электронные облака имеют почти сферически симметричную форму. Как известно из электростатики, электрическое поле внутри заряженной сферы отсутствует, а вне сферы оно такое же, как поле точечного заряда. Поэтому на рассматриваемый электрон будут оказывать воздействие только те электроны атома, которые находятся в одном с ним слое или в слоях меньшего радиуса. Пусть число таких электронов равно п. Тогда можно считать, что рассматриваемый электрон движется в кулоновском поле заряда e(Zап). В таком случае энергию этого электрона с учетом формулы (21.32) можно представить в виде

Уровни энергии электрона, описываемые этой формулой, показаны на рис. 21.6.

Формула (21.58) приводит к следующему выражению для спектра частот характеристического рентгеновского излучения:

Если приближенно положить здесь <тП1 = <тПа, то придем к формуле

которая выражает собой закон Мозли.

Схема энергетических уровней, соответствующих различным электронным слоям атома

Рис. 21.6. Схема энергетических уровней, соответствующих различным электронным слоям атома. Стрелки обозначают переходы электронов из одного состояния в другое, сопровождающиеся испусканием кванта рентгеновского излучения

Линия KQ рентгеновского излучения испускается атомом при переходе электрона из L-слоя (п2 = 2) в К-слой (ni = 1). Для частот А'0-линии формула (21.59) принимает вид

На законе Мозли основан простой метод определения порядкового номера элемента в таблице Менделеева. Так, например, измерив частоту А'0-линии рентгеновского излучения, испускаемого каким-то атомом, по формуле (21.60) можно вычислить порядковый номер Z этого атома.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >