Изучение структуры спектров щелочных металлов: Методические указания к лабораторной работе

www.phys.nsu.ru Лабораторная работа 1.2 А. С. Яценко

Изучение структуры спектров щелочных металлов Цель работы: исследование оптического спектра Na. Спектры щелочных металлов Электронные оболочки атомов щелочных металлов Li, Na, K, Rb, Cs, Fr имеют одинаковое строение – вне заполненных оболочек находится один электрон в состоянии ns. Основным термом является 2 S1/ 2 . Заполненные оболочки очень прочны, так как их строение такое же, как и у атомов благородных газов. Внешний s-электрон, называемый оптическим или валентным, определяет как оптические, так и химические свойства этих элементов. Эффективное поле, в котором движется этот электрон, центральносимметрично, поскольку заполненные оболочки всегда имеют равный нулю полный орбитальный момент и полный спин. Если в атоме водорода ядро прямо воздействует на

www.phys.nsu.ru

единственный электрон, то в щелочных металлах на s-электрон воздействует не только ядро, но и электроны, входящие в замкнутые оболочки (табл.). Их совокупность называется атомным остатком. На больших расстояниях эффективное поле остатка

совпадает с кулоновским полем заряда e, так как электроны замкнутых оболочек экранируют поле ядра. На малых расстояниях (вблизи ядра) экранировка не имеет места, и роль заполненных оболочек сводится к созданию некоторого постоянного потенциала U (r ) . Однако на всех расстояниях от ядра кривая U (r ) лежит ниже кулоновского

потенциала − e2 r , поэтому уровень n, l лежит ниже соответствующего уровня водорода Enl < − Rhc

n 2 , где R =

e2 . 2a Á

Электронные конфигурации атомов щелочных металлов (Rb, Сs, Fr не представлены) Название элемента

Символ

Z

Литий Натрий Калий

Li

3 11 19

Na K

Электронная конфигурация 1s 2 2s 1s 2 2 s 2 2 p 6 3s 1s 2 2s 2 2 p 6 3s 2 3 p 6 4 s

www.phys.nsu.ru 1

www.phys.nsu.ru

Если положение уровней в атоме H описывается формулой Н. Бора En = − Rhc , то в 2 n

щелочных элементах справедлива формула Ридберга-Ритца En = − Rhc 2 , где σ = α + β2 . (n + σ )

n

Величина α < 0 называется поправкой Ридберга и превышает по абсолютной величине β , называемую поправкой Ритца. Эта формула получена Ридбергом эмпирическим путем. Величина Δ = σ носит название «квантового дефекта». Величина Δ зависит от l . При малых l электрон проникает внутрь остатка, что приводит к сильному сдвигу уровней. Существенно слабее квантовый дефект зависит от n . Для одного элемента при росте n квантовый дефект уменьшается, так как при этом

среднее расстояние между электроном и ядром увеличивается, и поле, действующее на электрон, все больше приближается к кулоновскому полю одноэлектронного атома H . Общая структура спектров определяется переходами s − p, p − d , d − f и т. д. при

условии

отбора

Δl = ± 1 .

Из

этих

переходов

формируются

серии,

подобные

существующим в спектре водорода. Главная серия возникает при комбинациях термов nsS и n ' pP. Линии главной серии наблюдаются как в поглощении, так и в испускании.

www.phys.nsu.ru

Первые линии этой серии являются резонансными. Это означает, что при оптическом

возбуждении атом возвращается в основное состояние, испуская фотон hν той же частоты ν , что и поглощенный фотон. Когда же происходит оптическое возбуждение уровня, с

которого возможны переходы не только обратно на основной уровень, но и на другие возбужденные уровни, то наряду с резонансными наблюдается испускание с частотами, меньшими частоты резонансной линии. Потенциалы ионизации и резонансные потенциалы атомов щелочных металлов невелики, порядка 1,5–2 эВ. Поэтому атомы легко возбуждаются даже в сравнительно низкотемпературных источниках. Основные спектральные серии расположены в видимой и инфракрасной области спектра.

Тонкая структура спектров

В атомах щелочных металлов, как и в атоме водорода, учет спина электрона приводит к появлению тонкой структуры уровней и спектральных линий. Из-за спин-орбитального взаимодействия имеем j = l + s, откуда j = l ± 1/ 2. В результате каждый уровень с l ≠ 0 расщепится на два (дублетное расщепление). Для s-уровня j = l = s = 1/ 2 , и расщепления нет. Структура расщепления p, d , f уровней представлена на рис. 1.

www.phys.nsu.ru 2

www.phys.nsu.ru l=3

l=2

l=1

f

d

δ

p

j = 7 / 2,

2

F70/ 2

j = 5 / 2,

2

F50/ 2

j = 5 / 2,

2

D50/ 2

j = 3 / 2,

2

D30/ 2

j = 3 / 2,

2

P30/ 2

j = 1 / 2,

2

P10/ 2

j = 1 / 2,

2

S10/ 2

Δ l=0

s

Рис. 1. Дублетное расщепление термов атомов щелочных металлов (масштаб условный, в действительности δ