В 1913 г. Нильс Бор постулировал дискретность энергетических состояний атомов, откуда с необходимостью следует квантовый характер поглощения и излучения света.
Первый постулат Бора гласит: атом может находиться лишь в определенных дискретных энергетических состояниях, в которых он не излучает энергии, несмотря на ускоренные движения входящих в его состав заряжённых частиц. Такие состояния называются стационарными.
Согласно второму постулату атом излучает или поглощает энергию лишь при скачкообразном переходе из одного стационарного состояния в другое. При этом частота излученного или поглощенного кванта света пропорциональна разности энергии начального Е 1и конечного Е 2 состояний:
(1) Коэффициентом пропорциональности служит постоянная Планка h.
Постулаты Бора имеют чрезвычайно общий характер и применимы к любому атому или атомной системе. Их правильность многократно подтверждена экспериментально. Таким образом, теория Бора хорошо описывает физический механизм поглощения и излучения света.
|
|
Рис. 1. Энергетические уровни атома и переходы между уровнями, сопровождаемые поглощением или излучением квантов света
Каждое стационарное состояние атома характеризуется определённой энергией Еn (n = 1,2,3,...∞). Поэтому принято говорить об энергетических уровнях данного атома и наглядно представлять их в виде схемы уровней энергии (рис.1).
На схеме по оси ординат откладываются дискретные значения энергии Еn стационарных состояний, а ось абсцисс не имеет никакой координаты. Горизонтальные прямые фиксированных значений Еn обозначают скачкообразные переходы электрона в атоме из одного стационарного состояния в другое. Стрелками вверх показано поглощение света. Стрелки вниз означают испускание кванта света с соответствующим уменьшением энергии атома. Частоты излучения и поглощения могут быть легко рассчитаны по формуле (1). Важно подчеркнуть, что спектральные переходы возможны строго между определенными уровнями энергии. Никаких промежуточных переходов в атоме быть не может. Следовательно, не может быть и квантов света с промежуточными значениями энергии, а значит и частоты .
В современной квантовой механике строго доказано, что атомы каждого химического элемента имеют присущий только им набор возможных стационарных энергетических состояний. Переходы между этими состояниями и образуют спектр частот излучения (или поглощения), характерный только для данного элемента. Именно поэтому оказывается возможным отождествление химического элемента по его спектру испускания или поглощения, т.е. качественный спектральный анализ.
|
|
Число спектральных линий одинаковых атомов может быть очень велико. Например, спектр железа только в видимой и ультрафиолетовой областях содержит около 60 тысяч линий. У других многоэлектронных атомов число линий того же порядка. Следовательно, не исключено случайное совпадение некоторых частот в спектре различных атомов, что называется в спектроскопии “наложением” линий. Поэтому качественный спектральный анализ следует проводить по нескольким наиболее интенсивным линиям в исследуемом спектре. Совпадение измеренных длин волн этих линий с табличными данными надежно показывает присутствие элемента в источнике излучения.