Атомные спектры

АТОМНЫЕ СПЕКТРЫ, оптич. спектры, получающиеся при испускании или поглощении электромагн. излучения свободными или слабо связанными атомами (напр., в газах или парах). Являются линейчатыми, т.е. состоят из отдельных спектральных линий, характеризуемых частотой излучения v, к-рая соответствует квантовому переходу между уровнями энергии E_i и E_k атома согласно соотношению: hv = E_i-E_k где h-постоянная Планка. Спектральные линии можно характеризовать также длиной волны= c/v (с - скорость света), волновым числом= v/c и энергией фотона hv. Частоты спектральных линий выражают в с ^-1, длины волн-в нм и мкм, а также в А, волновые числа - в см -1, энергии фотонов - в эВ. Типичные А. с. наблюдаются в видимой, УФ- и ближней ИК-областях спектра. Спектры испускания, или эмиссионные, получают при возбуждении атомов разл. способами (фотонами, электронным ударом и т.д.), спектры поглощения, или абсорбционные, - при прохождении электромагн. излучения, обладающего непрерывным спектром, через атомарные газы или пары. Для наблюдения А. с. применяют приборы с фотографич. или фотоэлектрич. регистрацией.

А.с. обладают ярко выраженной индивидуальностью: каждому элементу соответствует свой спектр нейтрального атома (т. наз. дуговой спектр) и свои спектры последовательно образующихся положит. ионов (т.наз. искровые спектры). Линии в этих спектрах обозначают римскими цифрами, напр. линии PeI, FeII, FeIII в спектрах железа соответствуют спектрам Fe, Fe⁺, Fe²⁺.

Вид спектра зависит как от электронного строения данного атома, так и от внеш. условий - т-ры, давления, напря-женностей электрич. и магн. полей и т. п. В зависимости от способа возбуждения атома могут возникать отдельные линии спектра, нек-рые его участки, весь спектр нейтрального атома или его иона определенной кратности. Положение линий в таких спектрах подчиняется определенным закономерностям, к-рые наиб. просты для атомов с одним внеш. электроном, т.е. для атома Н и нейтральных атомов щелочных металлов, а также изоэлектронных с ними ионов. В спектрах таких атомов наблюдаются спектральные серии, каждая из к-рых (в случае спектров испускания) получается при возможных квантовых переходах с последовательных вышележащих уровней энергии на один и тот же нижележащий (в спектрах поглощения - при обратных переходах). Промежутки между линиями одной серии убывают в сторону больших частот, т.е. линии сходятся к границе серии - максимальной для данной серии частоте, соответствующей ионизации атома. Для атома Н волновые числа линий всех серий (см. рис. 1 в ст. Атом) с большой точностью определяются обобщенной ф-лой Бальмера:

где п_k и n_i - значения главного квантового числа для уровней энергии, между к-рыми происходит квантовый переход, причем n_k, характеризующее нижний уровень энергии, определяет серию, а n_i - ее отдельные линии (при получается граница серии); R-постоянная Ридберга. Аналогичные серии наблюдаются и в спектрах водородоподобных атомов, однако значения волновых чисел для спектральных линий ионов Не⁺ , Li²⁺, ... в Z² раз (Z - пoрядковый номер элемента) больше, чем для соответствующих линий атома Н.

Спектры атомов щелочных металлов, имеющих один электрон на внеш. электронной оболочке, схожи со спектром Н, но смещены в область меньших частот; число спектральных линий в них увеличивается, а закономерности в расположении линий усложняются. Пример - спектр Na, атом к-рого имеет электронную конфигурацию Is²2s²2p⁶3s с легковозбуждаемым внеш. электроном 3s. Переходу этого электрона из состояния Зр в состояние 35 соответствует желтая линия Na (дублет= 589,0 нм и= 589,6 нм); это - наиб. яркая линия, с к-рой начинается т.наз, главная серия Na. Линии этой серии в спектре испускания соответствуют переходам из состояний Зр, 4р, 5р> ... в состояние 35.

Для атомов послед. групп элементов в периодич. системе, обладающих двумя или неск. внеш. электронами, спектры еще более усложняются, что обусловлено взаимод. электронов. Особенно сложны спектры атомов с заполняющимися d- и f-оболочками; число линий в таких спектрах достигает мн. тысяч, простых закономерностей в них не обнаруживается. Однако и для сложных спектров можно произвести систематику оптич. квантовых переходов и определить схему уровней энергии. Систематика спектров атомов с двумя и более внеш. электронами основана на приближенной характеристике отдельных электронов при помощи квантовых чисел n и l с учетом взаимод. этих электронов друг с другом. При этом приходится учитывать как их электростатич. взаимод., так и спин-орбитальное, что приводит к расщеплению уровней энергии (т. наз. тонкая структура). В результате этого взаимод. у большинства атомов каждая спектральная линия представляет собой более или менее тесную группу линий - мультиплет. Так, у всех щелочных металлов наблюдаются двойные линии (дублеты), причем расстояния между линиями увеличиваются с увеличением порядкового номера элемента. Для щел.-зем. элементов наблюдаются одиночные линии (синглеты) и тройные (триплеты). В спектрах атомов послед. групп периодич. системы элементов наблюдаются еще более сложные мультиплеты, причем атомам с нечетным числом электронов соответствуют четные мультиплеты (дублеты, квартеты), а с четным числом - нечетные (триплеты, квинтеты). Кроме тонкой структуры в А. с. наблюдается также сверхтонкая структура линий (примерно в 1000 раз уже, чем мультиплетная), обусловленная взаимод. электронов с магн. и электрическими моментами ядра.

В А. с. проявляются не все возможные квантовые переходы, а лишь разрешенные правилами отбора. Так, в случае атома с одним внеш. электроном разрешены лишь переходы между уровнями, для к-рых орбитальное квантовое число / изменяется на 1 , т. е. s-уровни (l = 0) комбинируют с р-уровнями (l=1), р-уровни - с d-уровнями (l = 2) и т.д. Количеств. характеристика разрешенного оптич. квантового перехода - его вероятность, определяющая интенсивность спектральной линии, соответствующей этому переходу. Вероятности переходов в простейших случаях м.б. рассчитаны методами квантовой механики.

Под влиянием внеш. электрич. и магн. полей происходит расщепление спектральных линий. Возмущающие факторы, существующие в излучающей среде, вызывают уширение и сдвиг спектральных линий.

Методы, основанные на измерении частот и интенсивно" стей линий в спектре, применяют для решения разл. задач спектроскопии: проведения общей систематики спектров многоэлектронных атомов; определения уровней энергии таких атомов (это существенно, в частности, при квантово-хим расчетах); нахождения вероятностей переходов и времен жизни возбужденных состояний; изучения механизмов возбуждения атомов; измерения ядерных моментов и т. п. Индивидуальность А. с. используют для качеств. определения элементного состава в-ва, а зависимость интенсивности линий от концентрации излучающих атомов - для количеств. анализа (см. Спектральный анализ).

Исследования А. с. сыграли важнейшую роль в развитии представлений о строении атома.

Лит.: Кондон Е., Шортли Г., Теория атомных спектров, пер. с англ., М., 1949; Ельяшевич М, А., Атомная и молекулярная спектроскопия, М., 1962; Фриш С.Э., Оптические спектры атомов, M.-JL, 1963; Собельман И. И., Введение в теорию атомных спектров, М., 1977; Progress in atomic spectroscopy, pt. A-B, N.Y.. 1978-79. М.А. Ельяшевич.