Квантовая химия. Введение - Фларри Р.
Скачать (прямая ссылка):
Гелий-неоновый газовый лазер представляет особый интерес в связи с темой данной главы. Неон является веществом, которое способно обнаруживать лазерное действие. Однако инверсная заселенность в нем достигается в результате переноса энергии от возбужденного состояния гелия к неону, который таким образом переводится в возбужденное состояние. Гелий возбуждается электрическим разрядом (столкновениями с электронами в электрической разрядной трубке). Для такого возбуждения неприменимы «обычные» правила отбора. Многие из возбужденных атомов гелия в конце концов попадают в низшее возбужденное состояние 3Si (конфигурации ls'2s') либо непосредственно в результате возбуждения, либо в результате распада высокоэнергетических возбужденных состояний. Излуча-тельный переход из состояния 3S^ в синглетное основное состояние запрещен по спину, вследствие чего состояние 3Si обладает сравнительно большим временем жизни. Это состояние лежит приблизительно на 1,6•1O5 см-1 над основным состоянием гелия. Высшее энергетическое состояние конфигурации ls22s22p5Asl неона [эту конфигурацию мы сокращенно обозначим символом (Ne+, 4s)] лежит всего на 314 см-1 ниже по энергии, чем указанное возбужденное состояние, относительно основного состояния неона. В такой ситуации возможен резонансный перенос энергии, при котором энергия возбуждения переходит от гелия к неону. Состояния конфигураций (Ne+, Зр) и (Ne+, 3s) расположены между конфигурацией (Ne+, 4s) и основным состоянием. Они не заселяются возбужденным гелием; следовательно, создается инверсная заселенность между различными возбужденными состояниями неона. Преобладающее лазерное дей-
190
Глава 8
ствие происходит из состояний конфигурации (Ne+, 4s) в состояния конфигурации (Ne+, Зр). Возникающее излучение находится в ближней инфракрасной области спектра [ « (5,8 — 9,7)X ХЮ3 см-1]. Видимое излучение можно получить, когда исходная конфигурация (Ne+, 5s) неона (которая может быть заселена через первое возбужденное синглетное состояние гелия) распадается с переходом в конфигурацию (Ne+, Зр).
Эмиссионные свойства возбужденного неона отличаются от аналогичных свойств других легких элементов. Правила отбора для этого элемента не совпадают с теми, которых следовало бы ожидать в рамках схемы связи Рассела — Саундерса. Эта схема связи предсказывает четыре терма (1Pi, 3Po, 1,2) для конфигурации (Ne+, 4s) и десять термов (1S, 1Pi, 1D2, 3Pi, 3Po, 1,2, 3Ьі,2, з) для конфигурации (Ne+, Зр). Правила отбора для AS, AL и AJ предсказывают только восемнадцать переходов из верхней в нижнюю конфигурацию. Однако в действительности наблюдается большее число переходов. Экспериментальные данные приводят к правилам отбора AJ = O, ±1 (но лишь ±1 для / = 0) и Д/=±1. Эти правила допускают тридцать переходов из конфигурации (Ne+, 45) в конфигурацию (Ne+, Зр). Большинство из них обнаруживается в излучении лазера на смеси Не — Ne.
Возбужденные состояния инертных газов часто определяют, пользуясь схемой парной связи, которая является промежуточной между схемой связи Рассела — Саундерса и схемой /' — /-связи. В рамках этой схемы одноэлектронный орбитальный угловой момент / возбуждаемого4 электрона взаимодействует с полным угловым моментом J0 невозбужденной основной оболочки (в данном случае Ne+), вследствие чего получается результирующий момент К. Затем учитывается взаимодействие одноэлектронного спина s с моментом К, которое позволяет определить полный момент /. В этой схеме используются обозначения Рака, указывающие орбиталь возбужденного электрона п/, значение К и значение полного момента / символом nl [К] J- Для одноэлектронного орбитального момента / используются буквенные обозначения s, р и т. д., к которым присоединяется дополнительно штрих, если значение К определяется низшим из двух возможных значений Jc- В качестве примера рассмотрим конфигурации (Ne+, 4s) и (Ne+, Зр) неона. Для Ne+ возможны всего два терма, 2Py2 и 2Рз/2. Для 45-электрона / равно нулю и значения К совпадают со значениями /, что дает 4s'[1/2] и 4s [3/2]. Учет взаимодействия со спином 45-электрона приводит к 4s'[l/2]0, 4s'[1/2] ь 4s [3/2] 1 и 4s [3/2] 2- Для Зр-электрона I равно 1. Значения К, обусловленные значением J0 = 3/2, равны 1/2, 3/2 и 5/2. Значения К, обусловленные значением J0 = 1/2, равны 1/2 и 3/2. Десять
Электронные спектры многоэлектронных атомов
191
результирующих состояний таковы: Зр[5/2]3,2, Зр[3/2]2, ь Зр [1/2] 1,о, Зр' [3/2] 2,1 и Зр'[1/2] 1,о. Состояния для других конфигураций неона и для других инертных газов можно найти аналогичным способом.
Литература
1. Кондон E., Шортли Г. Теория атомных спектров. Пер. с англ.—M.: ИЛ, 1949.
2. Герцберг Г. Атомные спектры и строение атомов. Пер. с англ.—M.: ИЛ, 1948.
3. Moore С. E., Atomic Energy Levels, NBS Circular 467, Washington, D. С, Vol. I, 1949; Vol. II, 1952; Vol. Ill, 1958.
Задачи
8.1*. Укажите символы термов для состояний атома, достижимых из приведенных ниже состояний в результате прямого поглощения электромагнитного излучения (б рамках схемы связи Рассела — Саундерса):
