Атом излучает кванты

6

В «Рассказе о кванте»*) были рассмотрены основные свойства электромагнитного излучения. Наименьшая порция энергии, которая может быть испущена или поглощена в виде излучения с частотой $v$, называется квантом. Энергия кванта $E = 2\pi hv$, где $h = 1,05459 \cdot 10^{-34} \text{ дж·с}$ — значением постоянная Планка. (В старой литературе под постоянной Планка подразумевали величины $h = 2\pi h = 6,6262 \cdot 10^{-34} \text{ дж·с.}$)

Диапазон энергии квантов, встречающийся в природе, необычайно широк (см. рис. 1). Если энергия кванта, соответствующего длиным радиоволнам (например, волна длиной 1000 м), составляет всего $E = \frac{2\pi hc}{\lambda} = 1,2 \cdot 10^{-9} \text{ дж}$ (то есть в миллиард раз меньше энергии светового кванта), то энергия жестких γ-квантов, возникающих при распаде падающих на Землю частц космии

*) См. «Квант» № 1, 1970 г., стр. 6.

ческих лучей, достигает значений $\approx 10^{15} \text{ дж}$ ($1 \text{ дж} = 1,6 \cdot 10^{-19} \text{ дж}$).

В этой статье мы рассекем о том, как образуют связи иRENTНОВСКИЕ КВАНТЫ, а также ГАММАКВАНТЫ.

Возникновение света

Солнечный свет и пламя спички, свет неоновой рекламы и свечение раскаленного металла, несмотря на каждушее разлиние, имеют одну природу. Возникновение света во всех источниках обусловлено изменениями, происходящими в атомах.

Согласно теории Бора atom любого элемента может находиться лишь в строю определенных дискретных состояний. Каждому состоянию соответствует определенная внутренняя энергия atoms $E_n$. Возможные значения энергии atoms получили название энергетических уровней и обозначются на схеме уровней горизонтальными прямыми (см. рис. 2, a).

Расстояние между прямыми $\Delta E$

Рис. 1. Диапазон энергии квантов электромагнитного поля, встречающийся в природе.

8

Бальмера), нахождение в видимой области (рис. 2, 6). Переходы в основное состояние дают излучение в ультрафилотовой части спектра (серия Лаймана).

В atomах более сложных, чем водород, электроны группируются в оболочки, то есть группы уровней с близкой энергейой, имеющих одно и то же главное квантовое число $n$. Различные оболочки обозначают буквы $K, L, M$ и т. д. На близкой к ядру $K$-оболочке располагается не более 2-х электронов, на $L$-оболочке — 8, на $M$-оболочке — 8, на $N$-оболочке — 18 и т. д. Наружные электроны связи с atomом слабее внутренних; объясняется это увеличением расстояния до ядра и частным экранированием притяжения ядра со стороны внутренних электронов.

С увеличением заряда ядра энергия связи $k$-электронов быстро расчет (пропорционально $Z^2$) и составляет в atomе натрия 1,1 кэв, а в atomе волфрама — 70 кэв. Поэтому кванты видимого света, энергия которых составляет от 1,6 до 4,1 кэв, испускаются сложными atomами при переходах электронов между уровнями внешней оболочки.

Широко известен опыт, в котором пламя газовой горелки всыхивает желтым светом, когда в него бросают щепотку поваренной соли. Два очень близкие по энергии кванта, излученные atomами натрия в желтой части спектра, ответственных за этот эффект (см. рис. 3).

Испускание света в газоветных трубках, использемых для рекламы, также обусловлено переходами между определенными уровнями atomов газа, возбуждаемых с помощью электронического разряда. Однако чаще нам приходится стalkивать с источниками света, обладающих сплошным (непрерывным) спектром. Именно к таким источникам света относится солнеце, лампы накаливания и лампы дневного света (лиминесцентное освещение). В чем причина перехода от отдельных линей к сплошному

спектру? Оказывается, только разреженные газы, в которых взаимодействие между atomами неVELКО, дают линейные спектры. Если же всплесние высокой температуры или большого давления atoms газа часто испытывают соударения, то линии излучения ушируются настолько, что образуют непрерывный спектр. (Любоопытно, что хотя спектр солнечного света сплошной, спектр атмосферы Солнца, который удается изменить во время полного солнечного затмения, состоит из отдельных ярких линей).

В твердом теле высокорасположенные уровни отделных atomов, участвующие в образовании оптических спектров, из-за взаимодействия atomов превращаются в широкие энергетические зоны. Переходы между ними дают сплошной спектр, почти одинаковый для всех раскаленных твердых тел и зависшей, в основном,