Квантовая физика. Водный курс - Гольдин Л.Л.
Скачать (прямая ссылка):
синглетными и переходы между триплетными уровнями.
Излучательные переходы между синглетными термами гелия образуют ту часть
спектра, которая называется спектром парагелия; линии спектра парагелия
одиночные. Гелий в триплетных возбужденных состояниях называют
ортогелием; спектр ортогелия состоит из узких триплетов.
Нижнее триплетное состояние 23Si расположено значительно выше основного
состояния l1So, однако переход с испусканием фотонов между этими уровнями
запрещен, и состояние 23Si также является метаста-бильным. В отличие от
метастабильного уровня 21So здесь невозможны и переходы с испусканием
двух или нескольких фотонов. Переход из этого состояния в основное
возможен только при ударах второго рода.
Отметим, что спектры ионов, у которых в атомной оболочке имеются всего
два электрона (зЬ1+, 4Ве2+ и т.д.), сохраняют особенности спектра гелия.
Наличие двух наборов термов (синглетных и триплетных) наблюдается также у
многоэлектронных атомов с двумя валентными электронами (например, у
атомов щелочноземельных элементов) и у сходных с ними ионов.
Перейдем теперь к атому лития. Основным состоянием атома лития является,
как мы знаем, состояние 22Si/2(1s22s). 25-электрон связан с ядром гораздо
слабее, чем 15-электроны, поэтому легче всего осуществляются переходы,
связанные с возбуждением 25-электрона. Оптический спектр лития связан с
переходами этого валентного электрона.
На рис. 61 изображена схема уровней атома лития. Так как при
одноэлектронных переходах в атомах должно выполняться правило отбора AL =
±1, то снова удобно раздвинуть уровни S, Р и т.д. в отдельные столбцы,
как это и сделано па рисунке; при излучении могут осуществляться только
переходы между уровнями соседних столбцов.
Как и во всех сложных атомах, уровни 2S и 2Р у лития обладают различной
энергией; различна энергия и уровней 3S, 3Р и 3D и вообще у всех уровней
с одинаковыми п, по разными L. S'-уровни лития одиночные, а все остальные
уровни из-за наличия спин-орбитальной связи мультиплетные. Так как
спиновое квантовое число атома лития 5 = 1/2,
Исключением является лишь слабый "интеркомбинационный" переход с Л =
59,16 нм.
§ 34. Оптические спектры сложных атомов
163
то все эти уровни дублетные. Р-уровни являются совокупностью Pi/2-и Рз/2-
уровней. ?>-уровни состоят из D3/2- и Р>5/2-уровней, и т. д. У легких
атомов спин-орбитальпоо взаимодействие невелико, поэтому тонкое
расщепление уровней оказывается небольшим и на схеме уровней не отражено.
На рис. 61 стрелками изображены наиболее сильные переходы, не запрещенные
правилами отбора AL = ±1, AJ = 0, ±1. Линии, соответствующие всем этим
переходам, действительно наблюдаются в спектре лития. Из рисунка видно,
что все линии сгруппированы в серии. Серия линий пР - 2S называется
главной серией; линии этой серии легко наблюдаются не только в спектре
испускания, но и в спектре поглощения лития. Экспериментальные значения
длин волн линий этой серии обозначены на стрелках. Серия линий,
соответствующая переходам между уровнями nS и 2Р, называется резкой,
серия nD - 2Р - диффузной. Линии, возникающие при переходах 4F - 3D и 5F
- 3D, относятся к фундаментальной серии.
В нижней правой части рис. 61 изображено спин-орбитальное расщепление
терма 2Р и связанное с ним расщепление резонансной линии, т. е. линии,
соответствующей переходу между основным и нижним возбужденным
состояниями. Как видно из рисунка, спин-орбиталь-пое расщепление линии
невелико (АА = 0,015 нм), однако оно легко обнаруживается на опыте при
исследовании оптического спектра лития спектрометром с высокой
разрешающей способностью. Все остальные линии главной и других серий
также не являются одиночными. На схеме переходов указаны лишь усредненные
по мультиплетам длины волн. Следует отметить, что с ростом Z величина
спин-орбитального расщепления уровней, а следовательно, и спектральных
линий растет и у тяжелых атомов становится весьма значительной.
Схемы уровней других щелочных атомов, у которых, как и у лития, сверх
заполненной р-оболочки находится только один 5-электрон, очень похожи на
схему уровней лития; разница заключается в том, что основным состоянием
натрия (Z = 11) является Зй^-состояние, основное состояние калия (Z = 19)
- 4Si/2, рубидия (Z = 37) - 5Si/2, цезия (Z = 55) - 6Si/2 и франция (Z =
87) - 7Si/2. Различны, конечно, и энергии уровней. Энергия ионизации этих
атомов монотонно уменьшается с увеличением Z. Характер спектров полностью
сохраняется. В спектрах всех щелочных элементов (и схожих с ними ионов)
различают главную, резкую и другие серии. Особенно хорошо изучен
оптический спектр натрия. Знаменитый резонансный "желтый дублет" натрия
(рис. 62) явился первым экспериментальным указанием на существование у
электрона собственного углового момента - спина.
164
Глава 6
эВ ТГб, эВ
Рис. 61. Схема уровней и оптических переходов в атоме лития. S'-уровни
являются синглетными, а все остальные - дублетными. В нижней правой части
