Енергетичні стани атомів

Відомо, що атом складається з важкого позитивно зарядженого ядра та оточуючих його електронів. Згідно класичної механіки така система може знаходитися у рівновазі лише за умови, що електрони будуть обертатися навколо ядра по якимсь орбітам. Однак, з точки зору класичної електродинаміки, такий атом був би нестійкий, так як при руху з прискоренням (обертання по замкненим орбітам) електрони повинні були випромінювати енергію у вигляді електромагнітних хвиль, а отже, поступово падати на ядро. Разом з тим і частота обертання при цих умовах повинна була неперервно змінюватися, що зумовило би суцільний спектр випромінювання замість різких спектральних ліній. Насправді цього не спостерігається і атоми випускають різкі спектральні лінії, що вказує на їхню стійкість.

Нільс Бор (1913 р.) чітко сформулював та узагальнив постулат про існування стійких стаціонарних станів осциляторів, чим показав незастосовність класичної фізики до внутрішньоатомних процесам.

У основу розвиненої ним квантової теорії будови атома Бор заклав наступні постулати:

1. Атоми та атомні системи можуть довгостроково перебувати тільки у певних станах – стаціонарних станах, - в яких, незважаючи на існуючий у них рух заряджених частинок, вони не випромінюють та не поглинають енергію. У цих станах атомні системи мають енергії, що утворюють дискретний ряд: . Ці стани є стійкими. Всяка зміна енергії в результаті поглинання чи випускання електромагнітного випромінювання, або в результаті зіткнення може відбуватися лише стрибкоподібним переходом з одного з цих станів у інший.

2. При переході з одного стаціонарного стану в інший атоми випускають або поглинають випромінювання тільки строго визначенної частоти. Так, випромінювання, що випускається чи поглинається при переході із стану у стан , є монохроматичним, а його частота визначається з умови:

, (1)

де – стала Планка.

Стан з найменшою енергією, що відповідає значенню , називається основним або нормальним станом, тому що в цьому нижньому енергетичному стані атом перебуває найдовше. Стани, що відповідають значенням , називаються збудженими станами, тому що в кожному із цих станів атом має енергію більшу,ніж в основному стані.

У важких атомах, таких, як атом ртуті Hg, досить важко видалити електрони з внутрішніх оболонок через сильне електростатичне притягання ядер. Енергії зв'язку таких електронів досягають кілька тисяч електрон-вольтів. Зовнішні (валентні) електрони до деякої міри захищені від ядра екрануючою дією, електронів, що розташовані на внутрішніх оболонках. Тому енергія зв'язку цих електронів становить тільки декілька електрон-вольт. Відповідні енергетичні рівні для такого електрона наведені на рис.1. Ці енергетичні рівні зазвичай називають оптичними рівнями, тому що при будь-яких переходах між ними поглинаються або випускаються кванти електромагнітного випромінювання (фотони), довжини хвиль яких лежать у видимій або сусідній ділянках спектра.

Рис.1. Енергетичні рівні валентних електронів у атомах Hg

З рис.1 видно, що енергія валентного електрона в основному стані дорівнює еВ. Інші енергетичні рівні відповідають збудженим станам.

Енергія першого збудженого стану дорівнює еВ. Енергія, що потрібна для переходу електрона з основного стану в перший збуджений стан (лінія 1), становить

еВ. (2)

Цю енергію називають першим критичним потенціалом атома ртуті. Якщо з якої-небудь причини атом ртуті перейде в перший збуджений стан, то електрон потім повернеться в основний стан (лінія 2) за дуже короткий час (~10^-8 с). Такий перехід буде супроводжуватися випромінюванням фотона (хвиляста лінія 3) з довжиною хвилі 2536 . З рис.1 також видно, що енергія іонізації атома ртуті (енергія, необхідна для відриву електрона від атома, що перебуває в основному стані), дорівнює 10,42 еВ.