Природа спектров и структура атомов

Главное квантовое число n определяет энергетические уровни электрона в атоме и может принимать любые целочисленные значения начиная с единицы: n= 1, 2, 3, …

Из решения уравнения Шредингера вытекает, что момент импульса (механический орбитальный момент) электрона квантуется, т.е. не может быть произвольным, а принимает дискретные значения, определяемые формулой

Ll=ђ,

где l – орбитальное квантовое число, которое при заданномn принимает значения, l= 0, 1, …, (n – 1), т.е. всего n значений, и определяет момент импульса электрона в атоме.

Из решения уравнений Шредингера следует также, что вектор Ll момента импульса электрона может иметь лишь такие ориентации в пространстве, при которых его проекция Llz на направление z внешнего магнитного принимает квантованные значения, кратные ђ:

Llz = ђml,

где ml – магнитное квантовое число, которое при заданномl может принимать значения, ml = 0, ±1, ±2, …, ±l, т.е. всего 2l+1 значений.

Таким образом, магнитное квантовое число mlопределяет проекцию момента импульса электрона на заданное направление, причем вектор момента импульса электрона в атоме может иметь в пространстве 2l+1 ориентаций.

Наличие квантового числа ml должно привести в магнитное поле к расщеплению уровня с главным квантовым числом n на 2l+1 подуровней. Соответственно в спектре атома должно наблюдаться расщепление спектральных линий. Действительно, расщепление энергетических уровней в магнитном поле было обнаружено в 1896 г. голландским физиком П. Зееманом и получило название эффекта Зеемана [10].

Квантовые числа n, l, mlпозволяют более полно описать спектр испускания (поглощения) атома водорода.

В квантовой механике вводятся правила отбора, ограничивающие число возможных переходов электронов в атоме, связанных с испусканием и поглощением света:

1) изменение орбитального квантового числа Δl удовлетворяет условию Δl = ± l;

2) изменение магнитного квантового числа Δmlудовлетворяет условию Δml = 0, ±l.

В оптических спектрах указанные правила отбора в основном выполняются. Учитывая число возможных состояний, соответствующих данномуn, и правило отбора, серии Лаймана соответствуют переходы np → ls (n = 2, 3, …); серии Бальмера – np → 2s, ns → 2p, nd→ 2p (n = 3, 4, …) и т.д.

Переход электрона из основного состояния в возбужденное обусловлен увеличением энергии атома и может происходить только при сообщении атому энергии извне, например, за счет поглощением атомом фотона. Так как поглощающий атом находится обычно в основном состоянии, то спектр атома водорода должен состоять из линий, соответствующих переходам 1s→np (n = 2, 3, …), что находится в полном согласии с опытом[3].