Большой энциклопедический словарь:
АТОМНЫЕ СПЕКТРЫ — оптические спектры свободных или слабо связанных атомов (одноатомных газов, паров). Обусловлены квантовыми переходами атома. Атомные спектры — линейчатые, состоят из отдельных спектральных линий, которые характеризуются определенной длиной волны и для простых атомов группируются в спектральные серии. Содержат информацию о строении атомов, используются также в спектральном анализе.
Большая советская энциклопедия:
Атомные спектры
Спектры оптические, получающиеся при испускании или поглащении света (электромагнитных волн) свободными или слабо связанными атомами; такими спектрами обладают, в частности, одноатомные газы и пары. А. с. являются линейчатыми — они состоят из отдельных спектральных линий. А. с. наблюдаются в виде ярких цветных линий при свечении газов или паров в электрической дуге или разряде (спектры испускания) и в виде тёмных линий (спектров поглощения). Каждая спектральная линия характеризуется определённой частотой колебаний v испускаемого или поглощаемого света и соответствует определённому квантовому переходу (См. Квантовые переходы) между уровнями энергии (См. Уровни энергии) Ei и Ek атома согласно соотношению: hv = Ei - Ek, где h — Планка постоянная). Наряду с частотой спектральную линию можно характеризовать длиной волны = c/v, волновым числом 1/ = v/c (c — скорость света) и энергией фотона hv.
А. с. возникают при переходах между уровнями энергии внешних электронов атома и наблюдаются в видимой, ультрафиолетовой и близкой инфракрасной областях. Такими спектрами обладают как нейтральные, так и ионизованные атомы; их часто называют соответственно дуговыми и искровыми спектрами (нейтральные атомы легко возбуждаются и дают спектры испускания в электрических дугах, а положительные ионы возбуждаются труднее и дают спектры испускания преимущественно в искровых электрических разрядах). Спектры ионизованных атомов смещены по отношению к спектрам нейтральных атомов в область больших частот, т. е. в ультрафиолетовую область. Это смещение тем больше, чем выше кратность ионизации атома — чем больше электронов он потерял. Спектры нейтрального атома и его последовательных ионов обозначают в спектроскопии цифрами I, II, III, ... В реально наблюдаемых спектрах часто присутствуют одновременно линии нейтрального и ионизованных атомов; так говорят, например, о линиях FeI, FeII, FeIII в спектре железа, соответствующих Fe, Fe+, Fe2+.
Линии А. с. образуют закономерные группы, называются спектральными сериями. Промежутки между линиями в серии убывают в сторону коротких длин волн, и линии сходятся к границе серии. Наиболее прост спектр атома водорода. Волновые числа линий его спектра с огромной точностью определяются формулой Бальмера:
1/ = R(1/n21 — 1/n22),
где n1 и n2 значения главного квантового числа для уровней энергии, между которыми происходит квантовый переход (см. Атом, рис. 1, б). Значение n1 = 1, 2, 3, ... определяет серию, а значение n2 = n1 + 1, n1 + 2, n1 + 3,... определяет отдельные линии данной серии; R — Ридберга постоянная (выраженная в волновых числах). При n1 = 1 получается серия Лаймана, лежащая в далёкой ультрафиолетовой области спектра, при n1 = 2 — серия Бальмера, линии которой расположены в видимой и близкой ультрафиолетовой областях. Серии Пашена (n1 = 3), Брэкета (n1 = 4), Пфаунда (n1 = 5), Хамфри (n1 = 6) лежат в инфракрасной области спектра. Аналогичными спектрами, только с увеличенным в Z2 раз масштабом (Z — атомный номер), обладают водородоподобные ионы Не+, Li2+, ... (cпектры HeII, LiIII, ...).
Спектры атомов щелочных металлов, обладающих одним внешним (оптическим) электроном помимо заполненных оболочек, схожи со спектром атома водорода, но смещены в область меньших частот; число спектральных серий увеличивается, а закономерности в расположении линий усложняются. Пример — спектр Na, атом которого обладает нормальной электронной конфигурацией 1s2 2s2 2p6 3s (см. в ст. Атом — Заполнение электронных оболочек и слоев) с легко возбуждаемым внешним электроном 3s; переходу этого электрона из состояния 3s в состояние 3p соответствует жёлтая линия Na (дублет = 5690 и = 5696 ; см. рис.), с которой начинается т. н. главная серия Na, члены которой соответствуют переходам между состоянием 3s и состояниями 3p, 4p, 5p,... граница серии соответствует ионизации атома Na.
Для атомов с двумя или несколькими внешними электронами спектры значительно усложняются, что обусловлено взаимодействием электронов. А. с. особенно сложны для атомов с заполняющимися d- и f-оболочками; число линий доходит до многих тысяч, и уже нельзя обнаружить простых серий, аналогичных сериям в спектрах водорода и щелочных металлов. Однако и в сложных спектрах можно установить определённые закономерности в расположении линий, произвести систематику спектра и определить схему уровней энергии.
Систематика спектров атомов с двумя или более внешними электронами основана на приближённой характеристике отдельных электронов при помощи квантовых чисел n и l (см. Атом) с учётом взаимодействия этих электронов друг с другом. При этом приходится учитывать электростатические взаимодействия электронов — отталкивание по закону Кулона, и магнитные взаимодействия спиновых и орбитальных моментов (см. Спин, Спин-орбитальное взаимодействие), которые приводят к тонкому расщеплению уровней энергии (см. Тонкая структура). Благодаря этому у большинства атомов спектральные линии представляют собой более или менее тесную группу линий, называемую мультиплетом. Так, у всех щелочных металлов линии двойные (дублеты), причём расстояния между мультиплетными уровнями увеличиваются с увеличением атомного номера элемента. У щёлочноземельных элементов наблюдаются одиночные линии (сингулеты) и тройные (триплеты). Спектры следующих столбцов таблицы Менделеева образуют всё более сложные мультиплеты, причём нечётным столбцам соответствуют чётные мультиплеты, а четным столбцам — нечётные.
Кроме тонкой структуры, в А. с. наблюдается Сверхтонкая структура, обусловленная магнитными моментами ядер. Сверхтонкая структура по порядку величины в 1000 раз уже обычной мультиплетной структуры и исследуется методами радиоспектроскопии (См. Радиоспектроскопия).
В А. с. проявляются не все переходы между уровнями энергии данного атома или иона, а лишь вполне определённые, допускаемые (разрешенные) т. н. Отбора правилами, зависящими от характеристик уровней энергии. В случае одного внешнего электрона возможны лишь переходы, для которых азимутальное квантовое число l увеличивается или уменьшается на 1; правило отбора имеет вид: l = ±1. В результате s-yровни (l = 0) комбинируют с р-уровнями (l = 1), р-уровни — с d-yровнями (l = 2) и т. д., что определяет возможные спектральные серии для атомов щелочных металлов, частный случай которых представляет главная серия Na (переходы 3s np, где n = 3, 4, 5, ...); другие переходы этим правилом отбора запрещены. Для многоэлектронных атомов правила отбора имеют более сложный вид.
Количественной характеристикой разрешенного оптического перехода является его вероятность (см. Вероятность перехода), определяющая, как часто этот переход может происходить; вероятность запрещенных переходов равна нулю. От вероятностей переходов зависят интенсивности спектральных линий. В простейших случаях вероятности переходов для А. с. могут быть рассчитаны по методам квантовой механики (См. Квантовая механика).
Наряду с изучением А. с. для свободных атомов значительный интерес представляет исследование изменений в А. с. при внешних воздействиях на атомы. Под действием внешнего магнитного или электрического поля происходит расщепление уровней энергии атома и соответствующее расщепление спектральных линий (см. Зеемана явление и Штарка явление (См. Штарка эффект)).
Исследование А. с. сыграло важную роль в развитии представлений о строении атома (см. Атомная физика). Методы, основанные на изучении А. с., очень широко распространены в различных областях науки и техники. А. с. позволяют определить ряд весьма важных характеристик атомов и получить ценные сведения о строении электронных оболочек атома. Чрезвычайно существенно применение А. с. в эмиссионном спектральном анализе (См. Спектральный анализ) (по А. с. испускания), который благодаря высокой чувствительности, быстроте и универсальности завоевал прочное место в металлургии, горнорудной промышленности, машиностроении и во многих других отраслях народного хозяйства; наряду с эмиссионным спектральным анализом успешно применяют и абсорбционный спектральный анализ (по А. с. поглощения).
Лит.: Шпольский Э. В., Атомная физика, 5 изд., т. 1, М., 1963, т. 2, М., 1951: Фриш С. Э., Оптические спектры атомов, М.—Л., 1963; Ельяшевич М. А., Атомная и молекулярная спектроскопия, М., 1962.
М. А. Ельяшевич.
Жёлтая линия в спектре атома Na (дублет = 5690 и = 5696 ).
Физический энциклопедический словарь:
Спектры оптические, получающиеся при испускании или поглощении эл.-магн. излучения свободными или слабо связанными атомами (напр., в газах или парах). Являются линейчатыми, т. е. состоят из отд. спектральных линий, характеризуемых частотой v излучения, к-рая соответствует определ. квантовому переходу между уровнями энергии ?i и ?k атома согласно соотношению: v=?i-?k. Спектр. линии можно характеризовать также длиной волны l=c/v, волн. числом 1/l=v/c (в спектроскопии его часто обозначают v) и энергией фотона hv. А. с. обладают ярко выраженной индивидуальностью, причём их вид определяется не только строением атома данного элемента, но и внеш. факторами — темп-рой, давлением, электрич. и магн. полями и т. д.
А. с. наблюдаются в видимой, УФ и ближней ИК областях спектра. А. с. испускания (эмиссионные А. с.) получают при возбуждении атома разл. способами (светом, электронным ударом и т. д., (см. ВОЗБУЖДЕНИЕ АТОМА И МОЛЕКУЛЫ). А. с. поглощения (абсорбционные А. с.) получаются при прохождении излучения непрерывного спектра через ат. газы или пары. Различные А. с. получают и наблюдают с помощью спектральных приборов. В зависимости от способа возбуждения атома могут возникать отд. линии спектра, нек-рые его участки или весь спектр. А. с. испускания нейтр. атомов часто наз. дуговыми, т. к. нейтр. атомы легко возбуждаются в электрич. дуге; соответственно А. с. ионов наз. искровыми. Спектры ионов смещены относительно спектров нейтр. атомов в область больших частот. А. с. нейтр. атомов и его последовательно образующихся ионов обозначают римскими цифрами, напр. линии Fe I, Fe II, Fe III в спектре железа соответствуют линиям Fe, Fe+ , Fe2+ .
Спектр. линии в А. с. подчиняются определ. закономерностям и в простейших случаях образуют спектральные серии. Каждая спектр. серия получается при возможных квант. переходах с последовательности вышележащих уровней энергии на один и тот же нижележащий уровень (в спектрах поглощения — при обратных переходах). Промежутки между линиями одной серии убывают в сторону больших частот — линии сходятся к границе серии — максимальной для этой серии частоте (см. рис. 1 в (см. АТОМ). Наиболее чётко выделяются спектр. серии в спектрах атома Н, волн. числа в них с большой точностью определяются ф-лой Бальмера:
1/l=R(1/n2k-1/n2i),
где ni и nk — значения гл. квантового числа для уровней энергии, между к-рыми происходит квант. переход, причём число nk, характеризующее ниж. уровень энергии, определяет серию, а числа ni — её отд. линии; R — Ридберга постоянная (см. СПЕКТРАЛЬНЫЕ СЕРИИ). Аналогичные серии наблюдаются и в А. с. еодородоподобных атомов; однако значения волн. чисел для спектр. линий ионов Не+ , Li+2, ... в Z2 раз (Z — ат. номер элемента) больше, чем для соответствующих линий атома Н.
Спектры атомов щелочных металлов, имеющих один эл-н на внеш. электронной оболочке, схожи со спектром Н, но смещены в область меньших частот; число спектр. серий в них увеличивается, а закономерности в расположении линий усложняются. Пример — спектр Na, атом к-рого обладает нормальной электронной конфигурацией (см. АТОМ) 1s22s22p63s с легко возбуждаемым внеш. эл-ном 3s. Переходу этого эл-на из состояния Зр в состояние 3s соответствует жёлтая линия Na (дублет l=5690 A и l=5696 A) — наиб. яркая линия Na, с к-рой начинается т. н. главная серия, линии к-рой соответствуют переходам между состояниями 3s и состояниями 3p, 4р, 5p, . . .
Для атомов с двумя или неск. внеш. эл-нами спектры ещё более усложняются, что обусловлено вз-ствием эл-нов атома. Особенно сложны А. с. 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 и определить схему уровней энергии.
Систематика спектров атомов с двумя и более внеш. эл-нами основана на приближённой хар-ке отд. эл-нов при помощи квант. чисел n и l с учётом вз-ствия этих эл-нов друг с другом. При этом приходится учитывать как их электростатич. вз-ствие, так и вз-ствия их спиновых и орбитальных магн. моментов (см. СПИН-ОРБИТАЛЬНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ), что приводит к тонкому расщеплению уровней энергии (см. ТОНКАЯ СТРУКТУРА). В результате этого вз-ствия у большинства атомов спектр. линии группируются в мультиплеты, причём расстояния между линиями в мультиплетах увеличиваются с увеличением ат. номера элемента. У всех щелочных металлов линии двойные (дублеты), у щёлочноземельных элементов наблюдаются одиночные линии (синглеты) и тройные (триплеты). Спектры атомов следующих групп в периодич. системе элементов образуют ещё более сложные мультиплеты, причём атомам с нечётным числом эл-нов соответствуют чётные мультиплеты, а с чётным числом — нечётные. Кроме тонкой структуры, в А. с. наблюдается также сверхтонкая структура линий (=1000 раз уже, чем мультиплетная), обусловленная вз-ствием эл-нов с магн. и электрич. моментами ядра.
В А. с. проявляются не все возможные квант. переходы, а лишь разрешённые отбора правилами. Так, в случае атома с одним внеш. эл-ном разрешены лишь переходы между уровнями, для к-рых азимутальное квант. число l изменяется на 1 (Dl=±1), т. е. s-уровни (l=0) комбинируют с p-уровнями (l=1), p-уровни — с d-уровнями (l=2) и т. д.
Количеств. хар-кой разрешённых оптич. квант. переходов явл. их вероятность, определяющая интенсивности спектр. линий, соответствующих этим переходам. Вероятности переходов связаны с Эйнштейна коэффициентами и в простейших случаях могут быть рассчитаны методами квант. механики.
Под влиянием внеш. электрич. и магн. полей происходит расщепление спектр. линий (см. ЗЕЕМАНА ЭФФЕКТ, ШТАРКА ЭФФЕКТ). Возмущающие факторы, существующие в излучающей среде, вызывают уширение и сдвиг спектр. линий (напр., доплеровское уширение линий в излучении плазмы, (см. ШИРИНА СПЕКТРАЛЬНЫХ ЛИНИЙ).
Методы, основанные на измерении частот спектр. линий и их интенсивностей, применяются для решения разл. задач спектроскопии: проведения общей систематики многоэлектронных атомов, определения уровней энергии, нахождения вероятностей переходов и времени жизни возбуждённых состояний, изучения механизмов возбуждения атомов и эфф. сечений элем. процессов, измерения яд. моментов и т. д. Индивидуальность А. с. используется для качеств. определения элементного состава в-ва, а зависимость интенсивности линий от концентрации излучающих атомов — для количеств. анализа в-ва (см. СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ).
Исследование А. с. сыграло важную роль в развитии представлений о строении атома. (см. АТОМ).
© «СловоТолк.Ру» — толковые и энциклопедические словари, 2007-2020