☰

Атом водорода. Радиус и энергия электронных орбит в атоме водорода. Серии атома водорода. Постоянная Ритберга. Гипотеза о природных причинах стационарных орбит атома водорода

Сокол-Кутыловский О.Л.

Энергетическое строение атома водорода

Современная теоретическая физика, использующая весь арсенал абстрактной математики, строит многочисленные «единые теории поля», решает созданные ей же актуальнейшие проблемы «черных дыр» и «темного вещества» во Вселенной, исследует «кривизну» четырех и более мерного пространства и «обратимость времени». Поэтому до земных дел у теоретиков неклассической физики времени и нет. Как в начале прошлого века «сляпали» атом водорода, добавили к нему несколько «постоянных» и несколько постулатов-правил, так и живем с тех пор с таким веществом. И ничего, за сто лет не рассыпалось. Авось и еще продержится. А если появляется где-нибудь когда-нибудь дотошный студент, так на него всегда управа есть, — ну что он сможет противопоставить «принципу неопределенности»? То-то же!

Была, правда, классическая натурфилософская физика, основанная когда-то Ньютоном, Галилеем, Фарадеем и Максвеллом, которая позволяла достаточно строго и доступно для понимания любого умеющего думать человека получить ответ на многие вопросы. Только все это осталось в прошлом. Теперь стало жить проще: выучил, как молитву, весь набор правил, постулатов и констант, спихнул все это на экзаменах, и спокойно забыл, — все равно эта абракадабра больше никогда не понадобится.

А если все-таки кто-то случайно захочет узнать, как же на самом деле устроен атом водорода, он может это сделать здесь, прочитав эту статью.

  1. Динамическое силовое равновесие в атоме водорода

Чтобы получить соотношение между орбитальной угловой скоростью и радиусом первой орбиты электрона, рассмотрим схематическое изображение атома водорода (Рис. 1):

Рис. 1. На стационарной круговой орбите электрическая сила притяжения электрона к ядру атома, F э, компенсируется центробежной силой, F ц, действующей на электрон при его вращении вокруг ядра. R – радиус орбиты электрона.

В стационарном состоянии в атоме водорода имеет место баланс сил, действующих на электрон, движущийся по круговой орбите вокруг положительно заряженного ядра. В этом случае электрон и ядро могут рассматриваться, как точечные объекты. Силы электрического и гравитационного притяжения уравновешиваются центробежной силой:

Из выражения (2) выразим угловую скорость электрона на стационарной (первой) орбите через радиус его стационарной орбиты:

. (3)
  1. Первое основное энергетическое состояние атома водорода

Рассмотрим основные виды энергии, определяющие баланс силового взаимодействия – электрическую энергию притяжения электрона к ядру и энергию вращательного механического движения электрона, движущегося по орбите. Именно эти две энергии определяют основное устойчивое энергетическое состояние электрона в атоме водорода на первой орбите (вне зависимости от того, вращается электрон вокруг своей оси, или нет), а их сумма должна быть примерно равна энергии связи, которая в атоме водорода равна энергии его ионизации, W iH:

Из уравнения (5) можно найти радиус стационарной (первой) орбиты электрона в атоме водорода:

. (6)

Подставляя численное значение энергии ионизации атома водорода (W iH ≈-13.595 эВ ) получаем ориентировочную величину радиуса первой орбиты электрона:

R 1 ≈0.529598·10 -10 [м].

Полученная величина радиуса первой орбиты электрона близка к боровскому радиусу атома водорода, a 0 =0.52917706·10 -10 м , но в четвертом знаке все же отличается от него.

При найденном радиусе первой орбиты величина орбитального момента импульса электрона в первом основном энергетическом состоянии атома водорода, в соответствии с определением момента импульса, будет равна:

≈1.055·10 -34 [Дж·с].

Угловая частота вращения электрона на первой (стационарной) орбите атома водорода в первом основном энергетическом состоянии может быть найдена из формулы (3):

ω о1.1 ≈4.12921·10 16 [радиан/c].

Полученные величины радиуса первой орбиты электрона, орбитального момента импульса электрона и угловую частоту вращения электрона на первой орбите атома водорода здесь пока не пронумерованы, так как все эти значения далее будут уточнены.

  1. Собственные моменты импульса электрона и ядра (протона) в атоме водорода

Рассмотрим возможные величины моментов импульса электрона и протона в атоме водорода. Энергия первого основного энергетического состояния, в качестве которой была взята энергия ионизации, – известна (W 1 и W 3 в Таблице 1). Ориентировочная величина орбитального момента импульса электрона на первой орбите в первом основном энергетическом состоянии атома водорода также найдена. Наиболее простые соотношения моментов импульса в первом основном энергетическом состоянии представлены в Таблице 1 для энергий W 1 и W 3 . Полагая, что момент импульса ядра при электронных переходах остается неизменным, можно найти момент импульса ядра и сумму моментов импульса электрона, которые совпадают в состояниях W 1 , W 2 и в состояниях W 3 , W 4 , соответственно. Определив из данных спектроскопии возможную величину энергии ионизации водорода, когда электрон находится во втором основном энергетическом состоянии (W 2 ≈ -16.6+10.2=-3.4 [эВ]), она же – энергия второго энергетического состояния, W 2 или W 4 , можно найти все моменты импульса, представленные в Таблице 1.

Таблица 1. Вероятные моменты импульса электрона и ядра в различных предполагаемых энергетических состояниях на первой орбите атома водорода (в скобках указаны значения в единицах орбитального момента импульса первого энергетического состояния)

При этом необходимо сделать некий разумный выбор в соотношении орбитального и собственного моментов импульса электрона. В Таблице 1. показаны два простейших варианта: первый, − когда собственный момент импульса электрона равен половине орбитального (W 1 , W 2 ), и второй, − когда собственный момент импульса электрона равен орбитальному моменту импульса (W 3 , W 4 ). Поскольку любая энергетическая система стремится занять состояние с наименьшей энергией, то в качестве наиболее вероятных основных энергетических состояний атома водорода приняты состояния W 1 и W 2 , как состояния с наименьшей суммой моментов электрона. В соответствии с законом сохранения импульса, определим остальные моменты импульса электрона и протона и поместим их в Таблицу 1. Так как угловая скорость собственного вращения электрона пока не известна, а значение собственного момента импульса электрона было выбрано исходя из простых соотношений, кратных половине орбитального момента импульса, то необходимо оценить допустимость сделанного выбора. Ведь не очевидно, что закон сохранения момента импульса не будет выполняться при других, более сложных соотношениях моментов импульса электрона в атоме.

Собственный момент импульса электрона может быть найден по формуле для гиромагнитного отношения электрона через его собственный магнитный момент, ориентировочную величину которого можно взять из экспериментов по электронному магнитному резонансу (μ e ≈928.47701∙10 -26 Дж/Тл ):

≈0.527902∙10 -34 Дж∙с.

Эта величина собственного магнитного момента электрона очень близка к выбранному в Таблице 1 значению, что говорит о разумности сделанного предварительного выбора. В пользу такого простого (кратного) соотношения моментов говорит и отношение энергий первого и второго энергетических состояний.

Теперь, когда известна величина орбитального момента импульса и ориентировочная величина собственного момента импульса электрона, можно найти величину угловой скорости вращения электрона вокруг собственной оси в первом основном энергетическом состоянии, а также оценить параметры протона: его угловую скорость вращения вокруг собственной оси, его радиус и его магнитный момент. Полученную таким образом величину собственного магнитного момента протона в атоме водорода можно сравнить с имеющимися экспериментальными данными, полученными в экспериментах по магнитному резонансу на ядрах водорода (протонах).

Составим уравнение моментов импульса для атома водорода на его первой орбите:

Где m p − масса протона, Ω p − угловая скорость протона и r p − радиус протона.

В этом уравнении остаются пока неизвестными две величины: угловая скорость вращения протона вокруг собственной оси и радиус протона.

Радиус ядра атома водорода (протона) можно оценить из следующих соображений. Плотность вещества в электроне известна. Протон также как и электрон является стабильной элементарной частицей вещества и также должен иметь максимально возможную плотность, так как вследствие своей элементарности и неделимости по всей вероятности внутри себя не имеет промежутков объема, свободных от вещества. Поэтому можно предположить, что радиус протона равен:

.

Так как величина момента импульса протона в первом основном энергетическом состоянии атома водорода равна сумме орбитального и собственного моментов импульса электрона, M p ≈1.58251·10 -34 Дж·с, масса протона m p =1.6736485·10 -27 кг , масса электрона m e =9.109534·10 -31 кг , а радиус электрона r e =2.817938·10 -15 м, то:

≈1.01173·10 20 [радиан/с].

Теперь можно найти магнитный момент протона в атоме водорода :

≈1.51588·10 -26 Дж/Тл.

Полученная величина магнитного момента протона не намного отличается от известного значения магнитного момента протона (на ~7% больше).

Возможное различие можно попытаться объяснить незнанием точной формы протона и точной величины его радиуса и плотности, недостаточно точными величинами моментов электрона, но, как показано в , − это результат взаимодействия магнитного поля электрона с магнитным полем протона.

Таким образом, выбранное в Таблице 1 соотношение величин моментов импульса электрона и ядра в атоме водорода для энергетических состояний W 1 и W 2 не противоречит экспериментальным результатам, полученным независимым способом.

  1. Второе основное энергетическое состояние атома водорода

4.1. В атоме водорода существует еще одно основное энергетическое состояние электрона с отрицательной суммарной энергией, возникающее при других величинах орбитального и собственного моментов импульса электрона на первой орбите:

. (7)

В соответствии с Таблицей 1 орбитальный момент импульса электрона во втором основном энергетическом состоянии:

≈1.84625·10 -34 [Дж·с],

тогда орбитальная скорость электрона во втором энергетическом состоянии:

ω 1.2 ≈3.314948·10 16 радиан/c.

Так как орбитальная скорость электрона на первой орбите во втором энергетическом состоянии не соответствует уравнению (3), то второе основное энергетическое состояние не является устойчивым.

То есть при различии энергии состояний в 4 раза во втором энергетическом состоянии орбитальный момент электрона в 1.75 раза больше, а орбитальная скорость вращения электрона несколько меньше, чем в первом основном энергетическом состоянии.

Переход электрона между основными энергетическими состояниями на первой орбите вызван изменением моментов импульса электрона и соответствует разности энергий:
1.63363 10 -18 Дж.

(8)

Эта разность энергий, W 2.1 – W 1.1 , соответствует энергии спектральной линии с длиной волны λ≈1215.99·10 -10 м . В спектре атома водорода имеется близкая спектральная линия – это самая яркая линия в спектре водорода (длина волны λ≈1215.67·10 -10 м , яркость В=3500 ).

4.2. Именно по этой спектральной линии можно определить энергию второго энергетического состояния на первой орбите. Разность между энергией ионизации W 1 ≈13.6 эВ (которая определяет энергию первого основного энергетического состояния на первой орбите) и уровнем энергии самой яркой спектральной линии λ≈1215.99·10 -10 м (10.2 эВ) равна энергии второго основного энергетического состояния на первой орбите, W 2 ≈3.4 эВ. В результате и было получено, что энергия второго основного энергетического состояния на первой орбите в четыре раза меньше, чем энергия первого основного энергетического состояния на первой орбите.

4.3. Состояния W 1.1 и W 2.1 соответствуют одной и той же первой орбите электрона с радиусом R 1 и отличаются друг от друга величиной орбитального и направлением и величиной собственного момента импульса электрона.

Зная величину собственного момента импульса электрона во втором основном энергетическом состоянии (Таблица 1), можно найти угловую скорость электрона на первой орбите во втором энергетическом состоянии:

ω s2.1 ≈4.707·10 24 [радиан/с].

Несоответствие орбитальной скорости электрона во втором основном энергетическом состоянии уравнению (3) обуславливает неустойчивость этого энергетического состояния, что приводит к обязательному и незамедлительному возврату в первое основное энергетическое состояние.

  1. Первая спектральная серия атома водорода

5.1. Между энергетическим состоянием W 1 электрона на первой орбите радиуса R 1 и до отрыва электрона от атома могут существовать еще множество энергетических состояний (или энергетических уровней) с другими радиусами орбит и, но с моментом импульса, равным моменту импульса электрона на первой орбите. Причем эти уровни энергии соответствуют отрицательной энергии электрона, то есть соответствуют связанному состоянию электрона с ядром.

Согласно закону сохранения момента импульса, на всех орбитах электрона в первом основном энергетическом состоянии с порядковым номером орбиты n =2, 3, … электрон должен иметь тот же самый орбитальный момент импульса, что и на первой орбите:

Почему в формуле (10) следует брать только половину орбитального момента импульса? Изменение энергии атома или иона осуществляется посредством поглощения или излучения электромагнитных волн. Но электромагнитная волна не несет механический момент импульса, через который выражена разность угловых скоростей или угловых частот орбитального вращения электрона . Поэтому при применении понятия механического момента к электромагнитной волне необходимо пользоваться энергетическими характеристиками. Это возможно потому, что энергия вращательного движения пропорциональна моменту импульса. Если перейти к энергетической характеристике момента импульса, то и электромагнитную волну следует рассматривать с тех же энергетических позиций. Поскольку элементарная электромагнитная волна состоит из двух одновременных электромагнитных колебаний электрического и магнитного полей, взаимно преобразующихся друг в друга , то каждое составляющее электромагнитное колебание несет половину энергии всей электромагнитной волны и, соответственно, эта энергия пропорциональна произведению половины орбитального момента импульса электрона на разность частот. То есть когда речь идет о разности энергий электрона в атоме, то его орбитальный момент импульса в основном состоянии равен M о, а энергия − 0.5M о ∙Δω, но когда речь идет о длине волны или частоте электромагнитной волны, которые определяются в каждом из двух одновременных колебаний электромагнитного поля, то при выражении длины волны или частоты через момент импульса электрона необходимо использовать только половину величины момента M о, а эквивалентная энергия этой половины электромагнитной волны − 0.25M о ∙Δω. Связь же величин в электромагнитной волне (λ=2π· с/ω ) одинакова в любом из двух составляющих волну электромагнитных колебаний.

Именно поэтому в соответствии с определением момента импульса и структурой элементарной электромагнитной волны в формулу (10) входит половина орбитального момента импульса электрона.

Преобразуем разность частот (10) в соответствующую этой разности частот величину обратной длины волны:

Эта величина в формуле (12) соответствует так называемой «постоянной Ридберга», R ∞ , которая в современной физике выражается через несколько другое соотношение некоторых других известных констант :

Рассмотрим возможную длину электромагнитных волн соответствующих изменению энергетических уровней электрона в пределах основного энергетического состояния W 1 .

Для того чтобы не изменился момент импульса электрона, допустимые длины волн излучаемого или поглощаемого электромагнитного излучения должны быть кратны длине окружности первой орбиты, то есть, кратны целому числу радиусов первой орбиты электрона:

где n= 2, 3, … – это номера орбит и соответствующих им спектральных линий в первой основной серии атома водорода, называемой серией Лаймона.

5.2. Излучение и поглощение атомом электромагнитных волн с изменением энергетических уровней в пределах одного основного энергетического состояния является дипольным электрическим излучением .

  1. 6. Вторая спектральная серия атома водорода

Энергия электрона во втором основном энергетическом состоянии в четыре раза меньше, чем в первом основном энергетическом состоянии, поэтому во втором основном энергетическом состоянии электрона в атоме водорода орбитальный момент импульса электрона в 4 раза меньше:

, (15)

а на электромагнитную волну, представленную только одним составляющим колебанием электрического и магнитного полей, приходится только половина орбитального момента импульса M о2 , то есть 0.125M о. Равный этой величине момент импульса будет у электрона и на любой другой орбите электрона во втором основном энергетическом состоянии.

Выразим разность между угловой скоростью на первой орбите и угловой скоростью электрона на орбите с номером n через орбитальный момент импульса электрона, который для всех радиусов орбит второго основного энергетического состояния равен M о /8:
absmiddle" src="http://trinitas.ru/rus/doc/0016/001b/pic/1313/1313-1010.gif" width="207" height="48">,

(18)

где n= 3, 4, …

Спектральная серия второго основного энергетического состояния в атоме водорода (18) составляет известную серию Бальмера.

  1. Переходы между основными энергетическими состояниями

Формулы (14) и (18) описывают две основные серии спектральных линий в атоме водорода, которые различаются величиной моментов импульса электрона. Электромагнитная волна, излучаемая или поглощаемая атомом при изменении энергетического состояния электрона в пределах каждой из этих основных спектральных серий в отдельности, происходит без изменения состояния моментов импульса электрона. Изменяется только радиус орбиты электрона.

Если же энергетическое состояние электрона изменяется между уровнями энергии двух основных состояний электрона, то электромагнитные волны излучаются и поглощаются атомом с изменением состояния моментов импульса электрона, радиус же орбиты при этом может измениться, но может остаться и неизменным.

Таким образом, следует, что атом водорода имеет всего два основных энергетических состояния, каждое из которых, в соответствии с законом сохранения импульса, подразделяется на дискретную серию вторичных энергетических уровней, различающихся радиусом орбиты электрона. Изменение энергетического состояния атома водорода в пределах каждого из основных состояний создает свою собственную основную серию спектральных линий (поглощения и испускания) электромагнитной энергии. В пределах первого основного энергетического состояния – это спектральная серия Лаймона, а в пределах второго основного энергетического состояния – это спектральная серия Бальмера. Все другие возможные изменения энергетического состояния атома водорода осуществляются за счет переходов между уровнями основных энергетических состояний атома водорода. При этом переход между энергетическими состояниями электрона может осуществляться как между различными орбитами электрона, так и на одной и той же орбите, так как половина орбит второго основного энергетического состояния электрона совпадает с орбитами первого основного энергетического состояния. То есть на одних и тех же орбитах электрон в атоме может находиться в одном из двух энергетических состояний, отличающихся энергией и величиной моментов импульса.

Переход электрона в пределах каждого из основных энергетических состояний соответствует электрическому дипольному излучению, переход электрона между основными энергетическими состояниями на одной орбите соответствует магнитному дипольному излучению, а переход электрона между основными энергетическими состояниями различных орбит соответствует, по-видимому, комбинированному электромагнитному излучению.

Спектральная линия с длиной волны λ=1215.67·10 -10 м имеет самую высокую яркость и соответствует переходу между двумя основными энергетическими состояниями электрона в спектре атома водорода. В то же время спектральная линия с аналогичной длиной волны является первой линией серии Лаймона.

«Постоянная Ридберга» в каждом из основных энергетических состояний атома имеет свое собственное значение. Более точная величина этих значений для атома водорода будет рассмотрена ниже.

В Таблице 2 приведены наиболее точные экспериментальные значения длин волн первой спектральной серии атома водорода в вакууме и длины волн, вычисленные по формуле (14) при различных значениях «постоянной Ридберга», а также разность измеренной и вычисленной по формуле (14) длин волн до n= 20.

Спектральные линии, длины волн которых обозначены звездочкой, определены с наивысшей точностью, причем каждая состоит из двух близко расположенных спектральных линий (дублетов), то есть имеет тонкую структуру. В Таблице 2 указаны «центры тяжести» этих дублетов .

Среди этих наиболее точных спектральных линий этой серии в спектральной линии с длиной волны λ=937.8035·10 -10 м расстояние между линиями тонкой структуры минимально, поэтому «центр тяжести» этой линии имеет наиболее точное значение. Именно по этой причине в Таблице 12.2 спектральная линия с длиной волны λ=937.8035·10 -10 м принята за эталон, и все уточненные расчеты велись по отношению именно к этой спектральной линии.

Максимальное отклонение величины длин волн, вычисленных по отношению к «эталонной» линии и измеренных величин длин волн спектральных линий серии Лаймона, (кроме первого дублета) при R ∞1 =10967878 составляет ~0.0005·10 -10 м, причем это отклонение имеет различные знаки, то есть представляет собой случайную погрешность.

В то же время значения длин волн в спектральной серии Лаймона, вычисленные с принятой в физике в настоящее время постоянной Ридберга, R ∞ =10973731.77 , имеют более чем в тысячу раз большее отклонение от измеренных значений длин волн, и это отклонение представляет собой однозначную систематическую погрешность.

Таблица 12.2.

λ×10 -10 м
измеренное
 λ×10 -10 м
вычисленное
R ∞ =10973731,77
Δλ×10 -10 м
 λ ×10 -10 м
вычисленное
R ∞1 =10967878
Δλ ×10 -10 м
2
 1215.6701*
 1215.02
 0.65
 1215.6712
 -0.0011
3
 1025.7223*
 1025.18
 0.54
 1025.7226
 -0.0003
4
 972.5368*
 972.02
 0.52
 972.5370
 -0.0002
5
 949.7431*
 949.24
 0.50
 949.74313
 -0.0003
6
 937.8035*
 937.30
 0.50
 937.8035
 0.0000
7
 930.748
 930.25
 0.50
 930.7483
 0.0003
8
 926.226
 925.73
 0.47
 926.2257
 0.0003
9
 923.150
 922.66
 0.49
 923.1503
 0.0003
10
 920.963
 920.47
 0.49
 920.9630
 0.0000
11
 919.351
 918.86
 0.49
 919.3513
 0.0003
12
 918.129
 917.64
 0.49
 918.1293
 0.0003
13
 917.181
 916.69
 0.49
 917.1805
 -0.0005
14
 916.429
 915.94
 0.49
 916.4291
 0.0001
15
 915.824
 915.34
 0.48
 915.8237
 -0.0003
16
 915.329
 914.84
 0.49
 915.3289
 -0.0001
17
 914.919
 914.43
 0.49
 914.9192
 0.0002
18
 914.576
 914.09
 0.49
 914.5762
 0.0002
19
 914.286
 913.80
 0.49
 914.2860
 0.0000
20
 914.039
 913.55
 0.49
 914.0385
 -0.0005

Установленная таким образом величина постоянной R ∞1 =10967878 для первого основного энергетического состояния электрона в атоме водорода позволяет уточнить значение радиуса первой орбиты электрона в этом атоме, угловую скорость электрона на первой орбите и орбитальный момент импульса электрона в первом основном энергетическом состоянии.

Из уравнений (12) и из определения момента импульса электрона получаем:

Из уравнения (3) получаем:

С использованием более точного значения радиуса первой орбиты (20) и угловой скорости электрона на первой орбите в первом основном энергетическом состоянии (19), получаем более точное значение орбитального момента импульса электрона в первом основном энергетическом состоянии:

Энергия ионизации атома водорода с электроном, находящимся в первом основном энергетическом состоянии, в соответствии с уточненными значениями величин (19) – (21):

а энергия ионизации атома водорода с электроном, находящимся во втором основном энергетическом состоянии:

В Таблице 3 приведены значения длин волн для второй спектральной серии атома водорода в воздухе и длин волн, вычисленных по формуле (18) при различных значениях «постоянной Ридберга», а также разность измеренной и вычисленной длин волн до n= 36.

Таблица 3.


n		 λ×10 -10 м
измеренное,
по
λ×10 -10 м
вычисленное
по (18) при
R ∞ =10973731.77
Δλ×10 -10 м
 λ ×10 -10 м
вычисленное по (18) при
R ∞1 =10967878
Δλ ×10 -10 м
3
 6562.817
 6561.12
 1.7
 6564.620
 -1.803
4
 4861.332
 4860.09
 1.24
 4862.681
 -1.349
5
 4340.468
 4339.37
 1.10
 4341.680
 -1.212
6
 4101.737
 4100.70
 1.04
 4102.887
 -1.150
7
 3970.072
 3069.07
 1.0
 3971.190
 -1.118
8
 3889.049
 3888.07
 0.98
 3890.145
 -1.096
9
 3835.384
 3834.42
 0.96
 3836.466
 -1.082
10
 3797.898
 3796.95
 0.95
 3798.970
 -1.072
11
 3770.630
 3769.69
 0.94
 3771.695
 -1.065
12
 3750.152
 3749.21
 0.94
 3751.211
 -1.059
13
 3734.368
 3733.43
 0.94
 3735.423
 -1.055
14
 3721.938
 3721.01
 0.93
 3722.990
 -1.052
15
 3711.971
 3711.04
 0.93
 3713.020
 -1.049
16
 3703.853
 3702.93
 0.92
 3704.900
 -1.047
17
 3697.152
 3696.23
 0.92
 3698.197
 -1.045
18
 3691.555
 3690.63
 0.93
 3692.599
 -1.044
19
 3686.831
 3685.91
 0.92
 3687.874
 -1.043
20
 3682.808
 3681.89
 0.91
 3683.849
 -1.041
21
 3679.352
 3678.43
 0.92
 3680.393
 -1.041
22
 3676.363
 3675.44
 0.92
 3677.403
 -1.040
23
 3673.758
 3672.84
 0.92
 3674.798
 -1.040
24
 3671.476
 3670.56
 0.92
 3672.515
 -1.039
25
 3669.464
 3668.55
 0.91
 3670.502
 -1.038
26
 3667.682
 3666.76
 0.92
 3668.719
 -1.037
27
 3666.10
 3665.18
 0.92
 3667.132
 -1.03
28
 3664.68
 3663.76
 0.92
 3665.714
 -1.03
29
 3663.41
 3662.49
 0.92
 3.664.440
 -1.03
30
 3662.26
 3661.34
 0.92
 3663.292
 -1.03
31
 3661.22
 3660.30
 0.92
 3662.254
 -1.03
32
 3660.28
 3659.36
 0.92
 3661.313
 -1.03
33
 3659.42
 3658.51
 0.91
 3.660.456
 -1.04
34
 3657.93
 3657.72
 0.21
 3659.674
 -1.74
35
 3657.27
 3657.01
 0.26
 3.658.959
 -1.69
36
 3656.67
 3656.35
 0.32
 3658.302
 -1.63

В Таблице 3 даны длины волн, измеренные в воздухе, а эти значения отличается от длин волн в вакууме. На Рис. 2 приведена зависимость изменения длины волны в воздухе в диапазоне от 2000 Е до 15000Е, построенная по данным, опубликованным в . Если учесть поправку, представленную графиком на Рис. 2, то величины вычисленных по формуле (18) длин волн при R ∞1 = 10967878 отличается от измеренных не более чем на 0.01Е. В то же время длины волн, вычисленные по той же формуле с принятой в физике «постоянной Ридберга», отличаются от измеренных на ~2Е.

Рис. 2. Поправка на изменение длины волны электромагнитных волн в воздухе в диапазоне от 2000Е до 15000Е.

Из всего этого можно утверждать, что длины волн серии Бальмера, вычисленные по формуле (18) при R ∞1 = 10967878, имеют, по крайней мере, в 200 раз меньшую величину погрешности, чем длины волн, вычисленные по традиционной формуле с «постоянной Ридберга», полученной в квантовой механике. В показано, чем ограничена точность вычисления длин волн спектральных линий серии Бальмера и как довести ее до точности, полученной при вычислении длин волн серии Лаймона.

Следует отметить, что известны попытки изменения «постоянной Ридберга», предпринятые для более точного согласования расчетных и экспериментальных значений длин волн атома водорода. В частности, в работе в качестве «постоянной Ридберга» была использована нетрадиционная величина – 10967757.6 м -1 , которая намного ближе к величине R ∞1 =10967878 , предложенной автором здесь в Таблицах 2 и 3 в качестве первого приближения. Еще более точное значение постоянных R ∞1 и R ∞2 в атоме водорода может быть при необходимости определено после подробного изучения тонкой структуры энергетического состояния электрона в этом атоме.

  1. Энергетическое строение атома водорода

В Таблице 4 представлены номера орбит, их радиусы и соответствующие им уровни энергии электрона в атоме водорода в двух основных энергетических состояниях, что составляет основу энергетического строения этого атома. В данную таблицу включены 19 орбит первого основного энергетического состояния и 37 первых орбит второго основного энергетического состояния. При этом все нечетные орбиты второго основного энергетического состояния совпадают с орбитами первого основного энергетического состояния. Кроме того, некоторые уровни энергии в обоих энергетических состояниях электрона совпадают. Такое совпадение энергетических состояний приводит к возникновению близких и практически совпадающих спектральных линий, дублетов.

В Таблице 5 представлена угловая скорость электрона на каждой из возможных орбит в обоих энергетических состояниях. Угловая скорость на n -ной орбите для первого энергетического состояния электрона определялась по формуле:

В Таблице 6 представлены возможные переходы электрона в пределах первого основного энергетического состояния, величины разности энергии и соответствующая им длина волны электромагнитного излучения для первых 18 спектральных линий вакуумной области спектра, известных, как уже упоминалось, под названием спектральной серии Лаймона.

Таблица 4. Радиусы орбит и уровни энергии электрона в атоме водорода

№ орбиты, n

Радиус орбиты,

 Энергия электрона на данной орбите в состоянии W 1.n
№ орбиты, 2n-1
 Радиус орбиты,
 Энергия электрона на данной орбите в состоянии W 2.2n-1
1
 W 1.1 13.60097
 1
 0.529365
 W 2.1 3.40025
2
 1.191071
 W 2.2 1.51122
2
 W 1.2 3.40025
 3
 2.117458
 W 2.3 0.850062
4
 3.308531
 W 2.4 0.544039
3
 W 1.3 1.51122
 5
 4.764281
 W 2.5 0.377805
6
 6.484721
 W 2.6 0.277571
4
 W 1.4 0.850062
 7
 8.469834
 W 2.7 0.212515
8
 10.71964
 W 2.8 0.167913
5
 W 1.5 0.54404
 9
 13.23413
 W 2.9 0.13601
10
 16.01329
 W 2.10 0.112405
6
 W 1.6 0.377806
 11
 19.05714
 W 2.11 0.0944511
12
 22.36567
 W 2.12 0.0804791
7
 W 1.7 0.277571
 13
 25.93889
 W 2.13 0.0693927
14
 29.77678
 W 2.14 0.0604488
8
 W 1.8 0.212516
 15
 33.87936
 W 2.15 0.0531288
16
 38.24662
 W 2.16 0.0470622
9
 W 1.9 0.167914
 17
 42.87857
 W 2.17 0.0419783
18
 47.77519
 W 2.18 0.0376758
10
 W 1.10 0.13601
 19
 52.93646
 W 2.19 0.0340025
20
 58.36249
 W 2.20 0.0308412
11
 W 1.11 0.112405
 21
 64.05317
 W 2.21 0.0281012
22
 70.00852
 W 2.22 0.0257107
12
 W 1.12 0.0944514
 23
 76.22856
 W 2.23 0.0236128
24
 82.71328
 W 2.24 0.0217616
13
 W 1.13 0.0804793
 25
 89.46269
 W 2.25 0.0201198
26
 96.47677
 W 2.26 0.018657
14
 W 1.14 0.0693929
 27
 103.7555
 W 2.27 0.0173482
28
 111.2990
 W 2.28 0.01611724
15
 W 1.15 0.0604489
 29
 119.1071
 W 2.29 0.0151122
30
 127.1799
 W 2.30 0.0141529
16
 W 1.16 0.0531289
 31
 135.5174
 W 2.31 0.0132822
32
 144.1196
 W 2.32 0.0124894
17
 W 1.17 0.0470623
 33
 152.9865
 W 2.33 0.0117655
34
 162.1180
 W 2.34 0.0111028
18
 W 1.18 0.0419784
 35
 171.5143
 W 2.35 0.0104946
36
 181.1752
 W 2.36 0.0093497
19
 W 1.19 0.0376759
 37
 191.1008
 W 2.37 0.0094190

Таблица 5. Радиусы орбит и угловая скорость электрона в атоме водорода

1-е основное энергетическое состояние электрона

2-е основное энергетическое состояние электрона
№ орбиты, n

Радиус орбиты,

Угловая скорость
электрона,

×10 15 рад/с

 № орбиты, 2n-1
 Радиус орбиты,

Угловая скорость
электрона,

×10 15 рад/с
1
 41.3193
 1
 0.529365
 20.6597
2
 1.191071
 9.18209
2
 10.3299
 3
 2.117458
 5.16493
4
 3.308531
 3.30555
3
 4.59105
 5
 4.764281
 2.29552
6
 6.484721
 1.68651
4
 2.58246
 7
 8.469834
 1.29123
8
 10.71964
 1.02023
5
 1.65278
 9
 13.23413
 0.826388
10
 16.01329
 0.62965
6
 1.14776
 11
 19.05714
 0.573881
12
 22.36567
 0.488987
7
 0.843253
 13
 25.93889
 0.421626
14
 29.77678
 0.367284
8
 0.645616
 15
 33.87936
 0.322808
16
 38.24662
 0.285947
9
 0.510116
 17
 42.87857
 0.255058
18
 47.77519
 0.228916
10
 0.413194
 19
 52.93646
 0.206597
20
 58.36249
 0.18739
11
 0.341483
 21
 64.05317
 0.170741
22
 70.00852
 0.156217
12
 0.28694
 23
 76.22856
 0.14347
24
 82.71328
 0.132222
13
 0.244493
 25
 89.46269
 0.122247
26
 96.47677
 0.113359
14
 0.210813
 27
 103.7555
 0.105407
28
 111.2990
 0.0982625
15
 0.183642
 29
 119.1071
 0.0918209
30
 127.1799
 0.0859925
16
 0.161404
 31
 135.5174
 0.080702
32
 144.1196
 0.0774983
17
 0.142974
 33
 152.9865
 0.0714868
34
 162.1180
 0.0674603
18
 0.127529
 35
 171.5143
 0.0637645
36
 181.1752
 0.0603643
19
 0.114458
 37
 191.1008
 0.0572291

Длина волны в спектральной серии Лаймона определялась по формуле, связывающей энергию электрона с его моментом импульса:

, (26)

В этой формуле введен пересчетный коэффициент 2, учитывающий то, что разность механической энергии состояния электрона в атоме распределяется в электромагнитной волне на две равных составляющих, в соответствии со структурой электромагнитной волны.

Так как во втором энергетическом состоянии и момент импульса, и энергия состояния в четыре раза меньше, то определить длину волны и во второй спектральной серии атома водорода (Таблица 7) можно по этой же формуле (26).

Если брать из Таблицы 5 значения угловых скоростей электрона, то также можно найти длины волн соответствующих спектральных линий по формуле, связывающей длину волны с частотой электромагнитной волны. Однако здесь надо обратить внимание на то, что разность угловых скоростей вращения электрона на орбите может не совпадать с частотой электромагнитной волны. При простом соотношении энергии состояний угловые скорости и частоты могут быть кратны. Поэтому в формулу для нахождения длины электромагнитной волны по разности угловой скорости электрона, переходящего на различные орбиты в пределах одного и того же основного энергетического состояния, необходимо ввести коэффициент кратности, k :

. (27)

В первом энергетическом состоянии k =2, а во втором энергетическом состоянии k =4.

Причина несоответствия разности угловых скоростей вращения электрона и частоты электромагнитной волны при энергетическом подходе понятна и заключается в перераспределении механической энергии на две составляющие электромагнитные волны, каждая из которых в результате имеет в два раза более низкую частоту колебаний.

Той же самой причиной объясняется появление коэффициента k =2 при расчете длины волны в первом основном энергетическом состоянии по формуле (27).

Почему же при применении формулы (27) во втором энергетическом состоянии коэффициент кратности необходимо еще раз удвоить? Причина этого связана с соотношением радиусов орбит электрона, удовлетворяющим равенству момента импульса электрона во втором основном энергетическом состоянии. Проще говоря, угловая частота вращения электрона во втором энергетическом состоянии, при одном и том же моменте импульса электрона, в два раза ниже. Поэтому эквивалентная частота электромагнитной волны, излучаемой во втором энергетическом состоянии, также будет в два раза ниже, что удваивает коэффициент кратности, k . В первом основном энергетическом состоянии такого удвоения нет, так как момент импульса электрона кратен целому числу оборотов электрона вокруг ядра.

Таблица 6. Переходы в пределах первого основного энергетического состояния электрона и соответствующая им длина волны электромагнитного излучения первых 18 спектральных линий (серия Лаймона).


№
 Переход между
энергетическими
состояниями
 Величина разности
энергии состояний (эВ)
 Длина волны,
×10 -10 м
1
 W 1.1 - W 1.2
10.20072
 1215.672
2
 W 1.1 - W 1.3
12.08975
 1025.722
3
 W 1.1 - W 1.4
12.750908
 972.537
4
 W 1.1 - W 1.5
13.05693
 949.743
5
 W 1.1 - W 1.6
13.223164
 937.803
6
 W 1.1 - W 1.7
13.323399
 930.748
7
 W 1.1 - W 1.8
13.388454
 926.225
8
 W 1.1 - W 1.9
13.433056
 923.150
9
 W 1.1 - W 1.10
13.46496
 920.963
10
 W 1.1 - W 1.11
13.488565
 919.351
11
 W 1.1 - W 1.12
13.5065186
 918.129
12
 W 1.1 - W 1.13
13.5204907
 917.180
13
 W 1.1 - W 1.14
13.5315771
 916.429
14
 W 1.1 - W 1.15
13.5405211
 915.823
15
 W 1.1 - W 1.16
13.5478411
 915.329
16
 W 1.1 - W 1.17
13.5539077
 914.919
17
 W 1.1 - W 1.18
13.5589916
 914.576
18
 W 1.1 - W 1.19
13.5632941
 914.286

Все длины волн спектральных линий из Таблицы 6, построенной на основе энергетического спектра электрона, данного в Таблице 4 для первого основного энергетического состояния, точно соответствуют длинам волн спектральной серии Лаймона и могут быть получены из выведенной ранее формулы (14) для первого основного энергетического состояния электрона в атоме водорода.

Формула (14) позволяет вычислить и другие возможные спектральные линии этой серии, но эти потенциальные спектральные линии отсутствуют в имеющихся справочниках. В отличие от первого основного энергетического состояния, во всех остальных энергетических состояниях электрон не может быть сколь угодно долго. Электрон всегда стремится перейти из этих состояний в одно из двух основных своих энергетических состояний, W 1 и W 2 , а из W 2 – в состояние с наименьшей энергией W 1 .

Все длины волн спектральных линий, помещенные в Таблице 7, построенной на основе энергетического спектра электрона для второго основного энергетического состояния электрона по данным Таблицы 4, соответствуют длинам волн спектральной серии Бальмера и могут быть получены из выведенной ранее формулы (18) для второго основного энергетического состояния электрона в атоме водорода.

Таблица 7. Переходы в пределах второго основного энергетического состояния электрона и соответствующая им длина волны электромагнитного излучения первых 30 спектральных линий (серия Бальмера).


№
пп
 Переход между
энергетическими состояниями
W 2.1 - W 2.(n+1)
Разность энергии состояний (эВ)
 Длина волны,
λ вак ×10 -10 м
(вакуум)
 Попр.
(Рис.)
Δλ×10 -10 м
λ вычис-
ленное,
×10 -10 м
(воздух)
 λ изме-
ренное,
×10 -10 м
(воздух)
 δλ
1
 W 2.1 - W 2.2
1.88903
 6564.60
 -1.82
 6562.78
 6562.82*
 -0.04
2
 W 2.1 - W 2.3
2.550188
 4862.67
 -1.35
 4861.32
 4861.33
 -0.01
3
 W 2.1 - W 2.4
2.856211
 4341.67
 -1.22
 4340.45
 4340.47
 -0.02
4
 W 2.1 - W 2.5
3.022445
 4102.88
 -1.16
 4101.72
 4101.74
 -0.02
5
 W 2.1 - W 2.6
3.122679
 3971.18
 -1.12
 3970.06
 3970.07
 -0.01
6
 W 2.1 - W 2.7
3.187735
 3890.14
 -1.10
 3889.04
 3889.05
 -0.01
7
 W 2.1 - W 2.8
3.232337
 3836.46
 -1.08
 3835.38
 3835.39
 -0.01
8
 W 2.1 - W 2.9
3.26424
 3798.96
 -1.07
 3797.89
 3797.90
 -0.01
9
 W 2.1 - W 2.10
3.287845
 3771.69
 -1.06
 3770.63
 3770.63
 0
10
 W 2.1 - W 2.11
3.3057989
 3751.20
 -1.06
 3750.14
 3750.15
 -0.01
11
 W 2.1 - W 2.12
3.3197709
 3735.42
 -1.06
 3734.36
 3734.37
 -0.01
12
 W 2.1 - W 2.13
3.3308573
 3722.98
 -1.05
 3721.94
 3721.94
 0
13
 W 2.1 - W 2.14
3.3398012
 3713.01
 -1.05
 3711.96
 3711.97
 -0.01
14
 W 2.1 - W 2.15
3.3471212
 3704.89
 -1.04
 3703.85
 3703.86
 -0.01
15
 W 2.1 - W 2.16
3.3531878
 3698.19
 -1.04
 3697.15
 3697.15
 0
16
 W 2.1 - W 2.17
3.3582717
 3692.59
 -1.04
 3691.55
 3691.56
 -0.01
17
 W 2.1 - W 2.18
3.3625742
 3687.87
 -1.04
 3686.83
 3686.83
 0
18
 W 2.1 - W 2.19
3.3662475
 3683.84
 -1.04
 3682.80
 3682.81
 -0.01
19
 W 2.1 - W 2.20
3.3694088
 3680.39
 -1.04
 3679.35
 3679.36
 -0.01
20
 W 2.1 - W 2.21
3.3721488
 3677.40
 -1.04
 3676.36
 3676.36
 0
21
 W 2.1 - W 2.22
3.3745393
 3674.79
 -1.04
 3673.75
 3673.76
 -0.01
22
 W 2.1 - W 2.23
3.3766372
 3672.51
 -1.04
 3671.47
 3671.48
 -0.01
23
 W 2.1 - W 2.24
3.3784884
 3670.50
 -1.04
 3669.46
 3669.47
 -0.01
24
 W 2.1 - W 2.25
3.3801302
 3668.71
 -1.04
 3667.67
 3667.68
 -0.01
25
 W 2.1 - W 2.26
3.381593
 3667.13
 -1.03
 3666.10
 3666.10
 0
26
 W 2.1 - W 2.27
3.3829018
 3665.71
 -1.03
 3664.68
 3664.68
 0
27
 W 2.1 - W 2.28
3.38413276
 3664.37
 -1.03
 3663.34
 3663.41
 -0.07
28
 W 2.1 - W 2.29
3.3851378
 3663.29
 -1.03
 3662.26
 3662.26
 0
29
 W 2.1 - W 2.30
3.3860971
 3662.25
 -1.03
 3661.22
 3661.22
 0
30
 W 2.1 - W 2.31
3.3869678
 3661.31
 -1.03
 3660.28
 -
 -

Таблица 8. Переходы между основными состояниями электрона и соответствующая им длина волны электромагнитного излучения.


№
пп
 Переход между энергетическими уровнями:
 Величина разности энергетических состояний (эВ)
 Длина волны в вакууме,
λ×10 -10 м
 Поправка на изменение λ в воздухе, Δλ (×10 -10 м)
 Длина волны в воздухе,
λ×10 -10 м
1
 W 1.1 - W 2.1
10.20075
 1215.67*
2
 W 1.1 - W 2.2
12.08978
 1025.72*
3
 W 1.1 - W 2.3
12.75094
 972.534*
4
 W 1.1 - W 2.4
13.05698
 949.739*
5
 W 1.1 - W 2.5
13.223194
 937.80*
6
 W 1.1 - W 2.6
13.323429
 930.735*
7
 W 1.1 - W 2.7
13.388484
 926.223*
8
 W 1.1 - W 2.8
13.433086
 923.147*
9
 W 1.1 - W 2.9
13.46499
 920.96*
10
 W 1.1 - W 2.10
13.488595
 919.348*
11
 W 1.1 - W 2.11
13.5065486
 918.126*
12
 W 1.1 - W 2.12
13.520521
 917.177*
13
 W 1.1 - W 2.13
13.5316071
 916.426*
14
 W 1.1 - W 2.14
13.5405511
 915.821*
15
 W 1.1 - W 2.15
13.5478711
 915.326*
16
 W 1.1 - W 2.16
13.5539377
 914.916*
17
 W 1.1 - W 2.17
13.5590216
 914.573*
18
 W 1.1 - W 2.18
13.5633241
 914.283**
19
 W 1.2 - W 2.2
1.88903
 6564.6 *
 -1.81
 6562.79
20
 W 1.2 - W 2.3
2.550188
 4862.67*
21
 W 1.2 - W 2.4
2.85621
 4341.67*
22
 W 1.2 - W 2.5
6.022444
 2059.08**
23
 W 1.3 - W 2.3
0.661158
 18756.1
 (-5)
 18751.1
24
 W 1.3 - W 2.4
0.96718
 12821.5
 -3.5
 12818
25
 W 1.3 - W 2.5
1.133414
 10941.0
 -2
 10939
26
 W 1.3 - W 2.6
1.233649
 10052.1
 -2.75
 10049.25
27
 W 1.3 - W 2.7
1.298704
 9548.53
 -2.63
 9545.9
28
 W 1.3 - W 2.8
1.343306
 9231.49
 -2.5
 9228.99
29
 W 1.3 - W 2.9
1.37521
 9017.33
 -2.47
 9014.86
30
 W 1.3 - W 2.10
1.398815
 8865.16
 -2.43
 8862.73
31
 W 1.3 - W 2.11
1.4167686
 8752.82**
32
 W 1.4 - W 2.4
0.306022
 40522.3
 (-10.9)
 40511.4
33
 W 1.4 - W 2.5
0.472256
 26258.5
 (-7.2)
 26251.3
34
 W 1.4 - W 2.6
0.572491
 21661.0**
35
 W 1.5 - W 2.5
0.166234
 74598.0
 74578
36
 W 1.5 - W 2.6
0.266469
 46537.2**
37
 W 1.6 - W 2.6
0.100235
 123716
 (-32)
 123684
38
 W 1.6 - W 2.7
0.16529
 75024
 (-20)
 75004
39
 W 1.6 - W 2.8
0.209892
 59081.4**
40
 W 1.7 - W 2.7
0.065055
 190519
 (-50)
 190569
41
 W 1.7 - W 2.8
0.109657
 113086
 (-29)

*) – данная спектральная линия имеется в 1-й или 2-й основной серии;

**) – спектральная линия с такой длиной волны отсутствует в справочниках .

Восемнадцать первых спектральных линий в Таблице 8 совпадают с соответствующими спектральными линиями серии Лаймона в Таблице 6.

Спектральные линии под номерами 19 – 21 в Таблице 8 совпадают с первыми тремя спектральными линиями серии Бальмера (Таблица 7).

Восемь спектральных линий под номерами 23 – 30 в Таблице 8 составляют третью спектральную серию, называемую серией Пашена.

Спектральные линии под номерами 32 и 33 в Таблице 8 составляют четвертую «спектральную серию» атома водорода.

Спектральная линия под номером 35 в Таблице 8 представляет пятую «спектральную серию» атома водорода.

Спектральные линии под номерами 37 и 38 в Таблице 8 составляют шестую «спектральную серию» атома водорода.

Спектральные линии под номерами 40 и 41 в Таблице 8 составляют седьмую, заключительную «серию» известных спектральных линий атома водорода.

Все спектральные линии, входящие в серию Лаймона, могут быть получены двумя способами:

а) при переходе электрона с любой орбиты на первую в первом основном энергетическом состоянии (без изменения состояния собственного момента импульса электрона);

б) при переходе электрона с любой орбиты второго основного состояния на первую орбиту первого основного энергетического состояния (с изменением величины и направления собственного момента импульса электрона).

Аналогично спектральным линиям, входящие в серию Лаймона, первые три спектральные линии серии Бальмера могут быть получены этими же двумя способами (без изменения собственного момента импульса электрона и с изменением собственного момента импульса электрона). На языке «квантовой физики» такие состояния называются «дважды вырожденными», хотя никакого «вырождения» здесь нет, – просто электрон может перейти из одних энергетических состояний в другие, получив или отдав при этом практически равную порцию электромагнитной энергии. Небольшая разница в энергии состояний определяет тонкую структуру этих линий.

То есть все спектральные линии серии Лаймона и три первые спектральные линии серии Бальмера принципиально являются двойными спектральными линиями, дублетами, даже если тонкая структура некоторых из этих спектральных линий до сих пор не обнаружена.

Спектральные линии, входящие в 3-ю – 7-ю «серии», получаются только при переходах с изменением состояния собственного момента импульса, то есть при переходах между двумя основными энергетическими состояниями электрона.

На Рис. 3. показана вычисленная поправка на изменение длины волны в воздухе, полученная из расчетной и измеренной длин волн для той части спектра, где автор не нашел экспериментальных данных для сопоставления, как это было сделано для спектральных линий серии Бальмера и других спектральных линий, входящих в диапазон длин волн, показанный на Рис. 2. Вычисленная поправка, в отличие от поправки, взятой из эксперимента, в Таблице 8 дана в круглых скобках.

На Рис. 4 графически показана энергетическая структура атома водорода, соответствующая данным Таблицы 4, и допустимые энергетические переходы в этом атоме, соответствующие данным, помещенным в Таблицы 6 – 8.


Рис. 3. Поправка на изменение длины волны в воздухе, вычисленная по данным Таблицы 7 (эти расчетные данные в Таблице 7 приведены в скобках).

Энергетические переходы внутри первого основного энергетического состояния, W 1.1 – W 1.n , составляют спектральную серию Лаймона (Таблица 6).

Энергетические переходы внутри второго основного энергетического состояния, W 2.1 – W 2.n , составляют спектральную серию Бальмера (Таблица 7). Энергетические переходы между первой орбитой первого основного энергетического состояния и всеми орбитами второго основного энергетического состояния, W 1.1 – W 2.n , полностью дублируют все известные линии спектральной серии Лаймона (Таблица 8).

Из Рис. 4. следует, что электрон в атоме на первой орбите и на половине последующих орбит может находиться в двух различных энергетических состояниях, отличающихся как величиной энергии, так и величиной и направлением собственного момента импульса.

Рис. 4. Структура энергетических переходов атома водорода.

Условное расположение орбит атома водорода на Рис. 4 показано без соблюдения масштаба, причем представлены не все, а только ближайшие к ядру атома орбиты электрона в обоих основных энергетических состояниях. Одностороннее направление стрелок при энергетических переходах показано условно, так как переходы могут осуществляться в обоих направлениях (поглощение и излучение электромагнитной энергии).

Энергетические переходы между второй орбитой первого основного энергетического состояния (обозначено кружком) и второй, третьей и четвертой орбитами второго основного энергетического состояния, W 1.2 – W 2.2 , W 1.2 – W 2.3 и W 1.2 – W 2.4 дублируют три первые линии спектральной серии Бальмера. Энергетические переходы между третьей орбитой первого основного энергетического состояния (обозначено квадратом) и третьей – десятой орбитами второго основного энергетического состояния, от W 1.3 – W 2.3 до W 1.3 – W 2.10 составляют так называемую спектральную серию Пашена.

С четвертой орбиты первого основного энергетического состояния (обозначена ромбом) возможен переход только на четвертую и пятую орбиты второго основного энергетического состояния, W 1.4 – W 2.4 и W 1.4 – W 2.5 . С пятой орбиты первого основного энергетического состояния (обозначена треугольником) возможен переход только на пятую орбиту второго основного энергетического состояния, W 1.5 – W 2.5 . С шестой (обозначена двойным кружком) и с седьмой (обозначена крестом) орбит первого основного энергетического состояния возможны переходы только на шестую – седьмую (W 1.6 – W 2.6 и W 1.6 – W 2.7) и седьмую – восьмую (W 1.7 – W 2.7 и W 1.7 – W 2.8) орбиты второго основного энергетического состояния, соответственно.

Итак, не обращая внимания на заклинания современных шаманов, подчинивших себе физику экспериментальную и погрузивших мир теоретической физики в пучину средневековой религиозной тьмы, можно на основе доступной пониманию классической физики построить теоретическую модель простейшего атома, − атома водорода, наиболее полно соответствующую физической реальности. И нет в этой модели ни «магнетонов Бора», ни «постоянной Планка», ни «постоянной Ридберга», ни «спинов» Гаудсмита и Уленбека, ни «соотношения неопределенностей» Гейзенберга, ни «волновых свойств вещества» де Бройля, ни гипотетических «фотонов» Эйнштейна и т.п.

Все, что оказалось необходимым, − это законы сохранения энергии, импульса и момента импульса, законы классической механики и классической электродинамики, экспериментальное значение энергии ионизации. Ну и, разумеется, атомные спектры, которые необходимы не только для проверки правильности модели, но и для ее корректировки из-за недостаточной точности экспериментального определения энергии ионизации.

Это далеко не все, что можно рассказать об атоме водорода и его энергетическом строении. С более полной информацией о строении атома водорода (и не только водорода) можно ознакомиться в книге .

Литература

1. Стриганов А.Р., Одинцова Г.А. Таблицы спектральных линий атомов и ионов. Справочник. М., «Энергоиздат», 1982, 312 с.

2. Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия, 1984.

3. Eidelman S. and al. (Particle Data Group), Phys. Lett. B 592, 1(2004) and 2005 (URL: http://pdg.lbl.gov).

4. Сокол-Кутыловский О.Л. Русская физика, Часть 1. Екатеринбург, 2006, 172 с.

5. Зайдель А.Н., Прокофьев В.К., Райский С.М., Славный В.А., Шрейдер Е.Я. Таблицы спектральных линий. М., «Наука», 1977, 800 с.

6. Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике. Электродинамика, Том 6, М., «Мир», 1977, 347 с.

7. Garcia J.D., Mack J.E. J. Opt. Soc. Amer., 1965, V. 55, N6, P.654.

Сокол-Кутыловский О.Л., Энергетическое строение атома водорода // «Академия Тринитаризма», М., Эл № 77-6567, публ.13942, 27.10.2006


Из курса физики вы знаете, что атом любого вещества состоит из ядра и обращающихся вокруг него электронов. Такую модель атома предложил выдающийся английский физик Э. Резерфорд. Основываясь на этой модели, один из основоположников квантовой механики датский физик Н. Бор в 1913 году произвел первые правильные расчеты атома водорода, достаточно хорошо совпавшие с экспериментальными данными. Теория атома водорода, предложенная Бором, сыграла чрезвычайно важную роль в развитии квантовой механики, хотя в дальнейшем и претерпела существенные изменения.

Атом водорода. Постулаты Бора . Согласно модели Резерфорда-Бора атом водорода состоит из однократно заряженного положительного ядра и одного электрона, обращающегося вокруг него. В первом приближении можно предположить, что движение электрона происходит по траектории, представляющей собой окружность, в центре которой находится неподвижное ядро. В соответствии с требованиями классической электродинамики всякое ускоренное движение заряженного тела (в том числе и электрона) должно сопровождаться испусканием электромагнитных волн. В рассматриваемой модели атома электрон движется с колоссальным центростремительным ускорением, и поэтому он должен был бы непрерывно испускать свет. При этом энергия его должна была бы уменьшаться, а сам электрон должен был бы все ближе и ближе смещаться к ядру. Закончилось бы это тем, что электрон объединился бы с ядром ("упал" бы на ядро). Однако ничего подобного не происходит и атомы в невозбужденном состоянии не испускают света. Для объяснения этого факта Бор предложил два основных постулата.

Согласно первому постулату Бора электрон может находиться только на таких орбитах, для которых момент количества движения электрона (то есть произведение количества движения электрона mν на радиус орбиты ) кратен значению (где - постоянная Планка) * . Пока электрон находится на одной из таких орбит, излучения энергии не происходит. Каждой разрешенной орбите электрона соответствует определенная энергия, или определенное энергетическое состояние атома, называемое стационарным. Находясь в стационарном состоянии, атом не излучает света. Математически первый постулат Бора можно записать так:


где - некоторое целое число, называемое главным квантовым числом.

* (Постоянная Планка является универсальной физической константой и имеет смысл произведения энергии на время, называемого в механике действием. Благодаря тому что величина h представляется как бы элементарным количеством действия, постоянная Планка называется квантом (порцией) действия. Введение в физику понятия кванта действия было началом создания важнейшей физической теории XX века - квантовой теории. Квант действия очень мал: )

Второй постулат Бора содержит утверждение, что поглощение или испускание света атомом происходит только при переходах атома из одного стационарного состояния в другое. При этом энергия поглощается или испускается определенными порциями, квантами, значение которых hν определяется разностью энергий, соответствующих начальному и конечному стационарным состояниям атома:


где - энергия начального состояния атома, - энергия его конечного состояния, ν - частота света, испущенного или поглощенного атомом. Если то энергия излучается атомом, если же то поглощается.

Позже кванты света получили название фотонов .

Таким образом, по теории Бора электрон в атоме не может изменять свою траекторию постепенно (непрерывно), а может лишь "перепрыгивать" с одной стационарной орбиты на другую. При переходе со стационарной орбиты, более удаленной от ядра, на стационарную орбиту, расположенную ближе к ядру, как раз и происходит испускание света.

Радиусы орбит и энергетические уровни атомов . Радиусы разрешенных электронных орбит можно найти, используя закон Кулона, соотношения классической механики и первый постулат Бора. Их значения определяются выражением


Самой близкой к ядру разрешенной орбите соответствует n = 1. Используя полученные экспериментально значения величин m, e и A, находим для ее радиуса значение

Эта величина как раз и принимается за радиус атома водорода. Любая другая орбита с квантовым числом n имеет радиус


Таким образом, радиусы последовательно расположенных электронных орбит возрастают как квадрат числа n (рис. 1).

Значение полной энергии атома, соответствующей нахождению электрона на n-ой орбите, определяется формулой


Эти значения энергий называются энергетическими уровнями атома, Если по вертикальной оси откладывать возможные значения энергии атома, то можно получить так называемый энергетический спектр разрешенных состояний атома (рис. 2).

Расстояние между последовательно расположенными энергетическими уровнями быстро уменьшается. Это можно легко объяснить: увеличение энергии атома (за счет поглощения атомом энергии извне) сопровождается переходом электрона на все более удаленные орбиты, где взаимодействие между ядром и электроном становится более слабым. По этой причине переход между соседними удаленными орбитами связан с очень малым изменением энергии. Энергетические уровни при этом располагаются настолько близко, что спектр становится практически непрерывным. В верхней части непрерывный спектр заканчивается уровнем ионизации атома (n = ∞), соответствующим полному отделению электрона от ядра (электрон становится свободным).

Знак "-" в выражении для полной энергии атома указывает на то, что энергия атома тем меньше, чем ближе к ядру находится электрон. Для того чтобы удалить электрон от ядра, необходимо затратить определенную энергию, то есть сообщить атому некоторую энергию извне. Энергия атома принимается равной нулю при n = ∞, т. е. в случае, когда атом ионизирован. Именно поэтому значениям соответствуют отрицательные значения энергии. Уровню с n = 1 соответствуют минимальная энергия атома и минимальный радиус разрешенной орбиты электрона. Этот уровень называется основным или невозбужденным. Уровни с n = 2, 3, 4, ... называются уровнями возбуждения.

Квантовые числа . В теории Бора предполагалось, что электронные орбиты имеют вид окружностей. Эта теория дала достаточно хорошие результаты только при рассмотрении самого простого атома - атома водорода. Но уже при расчете атома гелия она не смогла дать количественно правильные результаты. Определенным шагом вперед была планетарная модель атома, предполагавшая движение электронов подобно планетам солнечной системы по эллиптическим орбитам, в одном из фокусов которых располагалось ядро. Однако и эта модель быстро исчерпала себя, не дав ответа на многие вопросы.

Это связано с принципиальной невозможностью определения характера движения электрона в атоме. В доступном нашему наблюдению макромире нет аналогов этого движения. Мы не можем не только проследить путь движения электрона, но и даже определить точно его местонахождение в какой-либо определенный момент времени. Само понятие орбиты, или траектории движения электрона в атоме, лишено физического смысла. Никакой определенной последовательности появления электрона в различных точках пространства установить нельзя, он оказывается как бы "размазанным" в некоторой области, называемой обычно электронным облаком. Облако это, например, для невозбужденного атома водорода имеет форму шара, но плотность его не одинакова. Вероятность обнаружения электрона будет наибольшей вблизи сферы с радиусом r 1 , соответствующим радиусу первой боровской орбиты. В дальнейшем под орбитой электрона в атоме мы будем понимать геометрическое место точек, которые характеризуются наибольшей вероятностью обнаружения электрона, или, другими словами, область пространства с наибольшей плотностью электронного облака.

Всегда сферическим электронное облако будет лишь для случая невозбужденного состояния атома водорода, когда главное квантовое число n = 1 (рис. 3, а). Если же n = 2, то, помимо сферического облака, размеры которого будут теперь в четыре раза больше, электрон может создать облако в виде своеобразной гантельки (рис. 3, б). С появлением несферичности области преимущественной локализации электрона (электронного облака) связано введение второго квантового числа l, называемого орбитальным квантовым числом . Каждому значению главного квантового числа n соответствуют положительные целочисленные значения квантового числа l от нуля до (n - 1):

Так, если n = 1, то l имеет единственное значение, равное нулю. Если же n = 3, то l может принимать значения 0, 1, 2. При n = 1 имеется только сферическая орбита, поэтому и l = 0. Когда n = 2, возможны как сферическая, так и гантелеобразные орбиты, поэтому и l может быть равным либо нулю, либо единице.

Если n = 3, то l = 0, 1, 2. Электронное облако, соответствующее значению l = 2, приобретает уже довольно сложный характер. Для нас, однако, важна не форма электронного облака, а то, какая ему соответствует энергия атома.

Энергия атома водорода определяется только значением главного квантового числа n и не зависит от значения орбитального числа l. Иначе говоря, если n = 3, то атом будет иметь определенную энергию W 3 независимо от того, на какой из возможных орбит, соответствующих данному значению n и различным возможным значениям l, находится электрон. Это означает, что при возвращении с уровня возбуждения на основной уровень атом будет испускать фотоны, энергия которых не зависит от значения l.

Рассматривая пространственную модель атома, необходимо иметь в виду, что электронные облака в нем имеют строго определенную ориентацию. Положение электронного облака в пространстве относительно выбранного каким-либо образом направления задается магнитным квантовым числом m, которое может принимать целочисленные значения от -l до +l, включая 0. При данной форме (данном значении l) электронное облако может иметь несколько различных ориентаций в пространстве. При l = 1 их будет три, соответствующих значениям магнитного квантового числа т, равным -1, 0 и +1. Если l = 2, то различных ориентаций электронного облака будет 5, соответствующих значениям m = -2, -1, 0, +1 и +2. Естественно, что если уж форма электронного облака в свободном атоме водорода не влияет на энергию атома, то тем более не влияет на энергию атома ориентация этого облака в пространстве.

Наконец, при более детальном рассмотрении экспериментальных данных выяснилось, что сами электроны могут находиться на орбитах в двух возможных состояниях, определяемых направлением так называемого спина электрона .

Но что такое спин электрона?

В 1925 году английские физики Дж. Уленбек и С. Гоудсмит для объяснения тонкой структуры линий в оптических спектрах некоторых элементов предложили гипотезу, согласно которой каждый электрон вращается вокруг своей собственной оси подобно волчку или веретену. При таком вращении электрон приобретает некоторый момент импульса, который и получил название спина (в переводе с английского спин означает вращение, веретено). Поскольку вращение может происходить по часовой стрелке или против, то и спин (иначе говоря, вектор момента импульса) может иметь два направления. В единицах спин равен 1 / 2 , а благодаря различным направлениям имеет знак "+" или "-". Таким образом, ориентация электрона на орбите определяется спиновым квантовым числом о, равным ± 1 / 2 . Отметим, что и ориентация спина, как и ориентация орбиты электрона, не влияет на энергию атома водорода, находящегося в свободном состоянии.

Более поздние исследования и расчеты показали, что объяснить спин электрона простым вращением его вокруг оси нельзя. При подсчете угловой скорости вращения электрона для объяснения экспериментальных данных выяснилось, что линейная скорость точек, лежащих на экваторе электрона (в предположении, что электрон имеет шарообразную форму), должна быть больше скорости света, чего не может быть. Спин является некоторой неотъемлемой характеристикой электрона, такой, например, как его масса или заряд.

Квантовые числа - адрес электрона в атоме . Итак, мы выяснили, что для описания движения электрона в атоме, или, как говорят физики, для определения состояния электрона в атоме, необходимо задать набор из четырех квантовых чисел: n, l, m и σ.

Главное квантовое число n определяет, грубо говоря, размеры электронной орбиты. Чем больше n, тем большее пространство охватывает соответствующее электронное облако. Задаваясь значением n, мы тем самым определяем номер электронной оболочки атома. Само число n может принимать любые целочисленные значения от 1 до ∞:

Орбитальное квантовое число l определяет форму электронного облака. Из всей совокупности орбит, относящихся к одному и тому же значению n, орбитальное число l выделяет орбиты, имеющие одинаковую форму. Каждому значению l соответствует своя подоболочка. Число подоболочек равно n, так как l может принимать значения от 0 до (n - 1):

Магнитное квантовое число m определяет пространственную ориентацию орбиты в группе орбит, имеющих одинаковую форму, то есть относящихся к одной подоболочке. В каждой подоболочке насчитывается (2l + 1) различно ориентированных орбит, поскольку m может принимать значения от 0 до ±l:

Наконец, спиновое квантовое число а определяет ориентацию спина электрона на заданной орбите. Значений у σ всего два:


Рассматривая атом водорода и оперируя понятиями "оболочка", "подоболочка", "орбита", мы говорили не столько о строении атома, сколько о возможностях, открывающихся перед единственным электроном, содержащимся в этом атоме. Электрон в атоме водорода может переходить с оболочки на оболочку и с орбиты на орбиту в пределах одной оболочки.

Гораздо сложнее оказывается картина распределения электронов и возможностей их переходов в многоэлектронных атомах.

13.7. Атом водорода (водородоподобный атом) по теории Бора

13.7.3. Орбиты электрона в атоме

Согласно правилу квантования орбит ( принципу Зоммерфельда ) связь между энергией стационарных состояний электрона в атоме, радиусом его орбиты и скоростью на этой орбите задается формулой

mvr = n ℏ,

где m - масса электрона, m = 9,11 ⋅ 10 −31 кг; v - скорость электрона; r - радиус орбиты электрона; ℏ - приведенная постоянная Планка, ℏ = h /2π ≈ 1,055 ⋅ 10 −34 Дж ⋅ с; h - постоянная Планка, h = 6,626 ⋅ 10 −34 Дж ⋅ с; n - главное квантовое число.

Из правила квантования орбит следует, что стационарным состояниям электрона в атоме соответствуют только такие орбиты электронов, для которых выполняется условие

mv n r n = n ℏ,

где r n - радиус электрона на орбите с номером n ; v n - скорость электрона на орбите с номером n ; m - масса электрона, m = 9,11 ⋅ 10 −31 кг; ℏ - приведенная постоянная Планка, ℏ = h /2π ≈ 1,055 ⋅ 10 −34 Дж ⋅ с; h - постоянная Планка, h = 6,626 ⋅ 10 −34 Дж ⋅ с; n - главное квантовое число.

Радиус стационарной орбиты электрона

r n = ℏ 2 n 2 k Z e 2 m ,

где k = 1/4πε 0 ≈ 9 ⋅ 10 9 Н ⋅ м 2 /Кл 2 ; ε 0 - электрическая постоянная, ε 0 = 8,85 ⋅ 10 −12 Ф/м; Z - порядковый номер элемента; e - заряд электрона, e = −1,6 ⋅ 10 −19 Кл; m - масса электрона, m = 9,11 ⋅ 10 −31 кг; ℏ - приведенная постоянная Планка, ℏ = h /2π ≈ 1,055 ⋅ 10 −34 Дж ⋅ с; h - постоянная Планка, h = 6,626 ⋅ 10 −34 Дж ⋅ с; n - главное квантовое число.

Радиус первой орбиты электрона в атоме водорода (Z = 1 и n = 1) равен

r 1 = ℏ 2 k e 2 m = 0,53 ⋅ 10 − 10 м

и называется первым боровским радиусом .

Для упрощения вычислений радиуса n-й орбиты электрона в водородоподобном атоме применяют формулу

r (Å) = 0,53 ⋅ n 2 Z ,

где r (Å) - радиус в ангстремах (1 Å = 1,0 ⋅ 10 −10 м); Z - порядковый номер химического элемента в Периодической системе элементов Д.И. Менделеева; n = 1, 2, 3, … - главное квантовое число.

Скорость электрона на стационарной орбите в водородоподобном атоме определяется формулой

v n = k Z e 2 n ℏ ,

где k = 1/4πε 0 ≈ 9 ⋅ 10 9 Н ⋅ м 2 /Кл 2 ; ε 0 - электрическая постоянная, ε 0 = 8,85 ⋅ 10 −12 Ф/м; Z - порядковый номер элемента; e - заряд электрона, e = −1,6 ⋅ 10 −19 Кл; ℏ - приведенная постоянная Планка, ℏ = = h /2π ≈ 1,055 ⋅ 10 −34 Дж ⋅ с; h - постоянная Планка, h = 6,626 ⋅ 10 −34 Дж ⋅ с; n - главное квантовое число.

Скорость электрона на первой орбите в атоме водорода (Z = 1 и n = 1) равна

v n = k e 2 ℏ = 2,2 ⋅ 10 6 м/с.

Для упрощения вычислений величины скорости электрона на n-й орбите в водородоподобном атоме применяют формулу

v (м/с) = 2,2 ⋅ 10 6 ⋅ Z n ,

где v (м/с) - модуль скорости в м/с; Z - порядковый номер химического элемента в Периодической системе элементов Д.И. Менделеева; n = 1, 2, 3, … - главное квантовое число.

Пример 21. Электрон в атоме гелия переходит с первой орбиты на орбиту, радиус которой в 9 раз больше. Найти энергию, поглощенную атомом.

Решение . Энергия, поглощенная атомом гелия, равна разности энергий:

∆E = E 2 − E 1 ,

где E 1 - энергия электрона, соответствующая радиусу орбиты r 1 ; E 2 - энергия электрона, соответствующая радиусу орбиты r 2 .

Энергии электрона в атоме гелия (Z = 2) определяются следующими формулами:

  • в состоянии с главным квантовым числом n 1 = 1 -

E 1 (эВ) = − 13,6 Z 2 n 1 2 = − 54,4 эВ;

  • состоянии с главным квантовым числом n 2 -

E 2 (эВ) = − 54,4 n 2 2 .

Для определения энергии E 2 воспользуемся выражением для радиусов соответствующих орбит:

  • для орбиты с главным квантовым числом n 1 = 1 -

r 1 (Å) ≈ 0,53 n 1 2 Z = 0,265 Å ;

  • орбиты с главным квантовым числом n 2 -

r 2 (Å) ≈ 0,265 n 2 2 .

Отношение радиусов

r 2 (Å) r 1 (Å) = 0,265 n 2 2 0,265 = n 2 2

позволяет определить главное квантовое число второго состояния:

n 2 = r 2 (Å) r 1 (Å) = 9 = 3 ,

где r 2 /r 1 - заданное в условии отношение радиусов орбит, r 2 /r 1 = 9.

Из отношения энергий

E 2 E 1 = 1 n 2 2

следует, что энергия электрона в атоме гелия во втором состоянии

E 2 = E 1 n 2 2 = − 54,4 эВ 3 2 = − 6,04 эВ.

Энергия, поглощенная атомом при указанном переходе, является разностью

∆E = E 2 − E 1 = −6,04 − (−54,4) = 48,4 эВ.

Следовательно, при указанном переходе атом поглотил энергию, равную 48,4 эВ.

А́том (от др.-греч. ἄτομος - неделимый) - наименьшая химически неделимая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств. Атом состоит из атомного ядра и электронов. Ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и незаряженных нейтронов. Если число протонов в ядре совпадает с числом электронов, то атом в целом оказывается электрически нейтральным. В противном случае он обладает некоторым положительным или отрицательным зарядом и называется ионом. Атомы классифицируются по количеству протонов и нейтронов в ядре: количество протонов определяет принадлежность атома некоторому химическому элементу, а число нейтронов - изотопу этого элемента.

Хотя слово атом в первоначальном значении обозначало частицу, которая не делится на меньшие части, согласно научным представлениям он состоит из более мелких частиц, называемых субатомными частицами. Атом состоит из электронов, протонов, все атомы, кроме водорода-1, содержат также нейтроны.

Электрон является самой лёгкой из составляющих атом частиц с массой 9,11·10−31 кг, отрицательным зарядом и размером, слишком малым для измерения современными методами. Протоны обладают положительным зарядом и в 1836 раз тяжелее электрона (1,6726·10−27 кг). Нейтроны не обладают электрическим зарядом и в 1839 раз тяжелее электрона (1,6929·10−27 кг). При этом масса ядра меньше суммы масс составляющих его протонов и нейтронов из-за эффекта дефекта массы. Нейтроны и протоны имеют сравнимый размер, около 2,5·10−15 м, хотя размеры этих частиц определены плохо.

Постулаты Бора - основные допущения, сформулированные Нильсом Бором в 1913 году для объяснения закономерности линейчатого спектра атома водорода и водородоподобных ионов (формула Бальмера-Ридберга) и квантового характера испускания и поглощения света. Бор исходил из планетарной модели атома Резерфорда.

Атом может находиться только в особенных стационарных, или квантовых, состояниях, каждому из которых отвечает определенная энергия. В стационарном состоянии атом не излучает электромагнитных волн.

Электрон в атоме, не теряя энергии, двигается по определённым дискретным круговым орбитам, для которых момент импульса квантуется: , где - натуральные числа, а - постоянная Планка. Пребывание электрона на орбите определяет энергию этих стационарных состояний.

При переходе электрона с орбиты (энергетический уровень) на орбиту излучается или поглощается квант энергии, где - энергетические уровни, между которыми осуществляется переход. При переходе с верхнего уровня на нижний энергия излучается, при переходе с нижнего на верхний - поглощается.

Используя данные постулаты и законы классической механики, Бор предложил модель атома, ныне именуемую Боровской моделью атома. В дальнейшем Зоммерфельд расширил теорию Бора на случай эллиптических орбит. Её называют моделью Бора-Зоммерфельда.

Атом водорода - физическая система, состоящая из атомного ядра, несущего элементарный положительный электрический заряд, и электрона, несущего элементарный отрицательный электрический заряд. В состав атомного ядра может входить протон или протон с одним или несколькими нейтронами, образуя изотопы водорода. Электрон преимущественно находится в тонком концентрическом шаровом слое вокруг атомного ядра, образуя электронную оболочку атома. Наиболее вероятный радиус электронной оболочки атома водорода в стабильном состоянии равен боровскому радиусу a0 = 0,529 Å.

Атом водорода имеет специальное значение в квантовой механике и релятивистской квантовой механике, поскольку для него проблема двух тел имеет точное или приближенное аналитическое решения. Эти решения применимы для разных изотопов водорода, с соответствующей коррекцией.

В квантовой механике атом водорода описывается двухчастичной матрицей плотности или двухчастичной волновой функцией. Также упрощенно рассматривается как электрон в электростатическом поле бесконечно тяжёлого атомного ядра, не участвующего в движении (или просто в кулоновском электростатическом потенциале вида 1/r). В этом случае атом водорода описывается редуцированной одночастичной матрицей плотности или волновой функцией.

В 1913 году Нильс Бор предложил модель атома водорода, имеющую множество предположений и упрощений, и вывел из неё спектр излучения водорода. Предположения модели не были полностью правильны, но тем не менее приводили к верным значениям энергетических уровней атома.

Результаты расчётов Бора были подтверждены в 1925-1926 годах строгим квантово-механическим анализом, основанном на уравнении Шрёдингера. Решение уравнения Шрёдингера для электрона в электростатическом поле атомного ядра выводится в аналитической форме. Оно описывает не только уровни энергии электрона и спектр излучения,

Квантование энергии электрона в атоме Некоторые физические величины, относящиеся к микрообъектам, изменяются не непрерывно, а скачкообразно. О величинах, которые могут принимать только вполне определенные, то есть дискретные значения (латинское "дискретус" означает разделенный, прерывистый), говорят, что они квантуются.

В 1900 г. немецкий физик М. Планк, изучавший тепловое излучение твердых тел, пришел к выводу, что электромагнитное излучение испускается в виде отдельных порций - квантов - энергии. Значение одного кванта энергии равно ΔE = hν,

где ΔE - энергия кванта, Дж; ν - частота, с-1; h - постоянная Планка (одна из фундаментальных постоянных природы), равная 6,626·10−34 Дж·с.

Кванты энергии впоследствии назвали фотонами.

Идея о квантовании энергии позволила объяснить происхождение линейчатых атомных спектров, состоящих из набора линий, объединенных в серии.

После нескольких месяцев работы Бор в 1913 г. опубликовал свою квантовую теорию атома. Основу этой теории составляют три постулата.

Первый постулат Бора :

Атом может находиться не во всех состояниях, допускае­мых классической физикой, а только в особых, квантовых (или стационарных) состояниях, каждому из которых со­ответствует своя определенная энергия Е n . В стационар­ном состоянии атом не излучает и не поглощает энергию.

Второй постулат Бора:

При переходе атома из одного стационарного состояния в другое излучается или поглощается квант света с энер­гией ћω, равной разности энергий стационарных состо­яний (рис.25.5):

ћω = |Е n 2 -Е n 1 | (25.1)

Е n 1 - энергия в начальном состоянии, Е n 2 - энергия в конечном состоянии.

Третий постулат Бора:

В стационарном состоянии электрон может двигаться только по такой («разрешенной») орбите, радиус которой удовлетворяет условию:

m·υ·r=n·ћ (25.2)

Условие стационарности электронных орбит, где m·υ·r - момент импульса электрона, n - номер квантового со­стояния (n =1, 2, 3, ...).

Целое число n, определяющее номер квантового состояния и энергию атома в этом состоянии, называется главным квантовым числом .

Применив свою теорию к простейшему из атомов - атому во­дорода, Бор получил результаты, полностью согласующиеся с экс­периментальными данными.

Рассмотрим простейший атом - атом водорода. Он состоит из ядра, в состав которого входит один протон, и одного электрона, вращающего­ся вокруг ядра по круговой орбите. На электрон со стороны ядра дейст­вует кулоновская сила притяжения, сообщая ему центростремительное ускорение, поэтому

(25.3)

[е - заряд электрона и протона, ε о - электрическая постоянная].

Поскольку должен выполняться первый постулат Бора, воспользу­емся условием стационарности электронных орбит. Определим из него скорость υ

(25.4)

возведем в квад­рат и подставим в (25.4). Из полученного выражения найдем

отсюда радиус орбит электрона в атоме водорода равен

(25.5)

Подставляя в (25.5) значения констант и считая n = 1, получаем значение первого боровского радиуса, который является единицей длины в атомной физике:

r Б = 0,528-10 -10 м.

§ 25.3 Энергия атома водорода

По боровской модели ядро атома считается неподвижным, поэтому полная энергия Е атома является суммой кинетической энергии Е к вращения электрона и потенциальной энергии Е п взаимодействия электрона с ядром:


(25.6)

Полученное значение Е отрицательно, так как потенциальная энер­гия двух зарядов, находящихся на бесконечно большом расстоянии, предполагается равной нулю. При сближении зарядов потенциальная энергия уменьшается.

Каждое значение энергии, которой обладает атом в том или ином стационарном состоянии, называют энергетическим уровнем . Чем больше n, тем дальше от ядра находится электрон и тем выше его энергетический уровень.

Энергетические уровни атома принято изображать горизонталь­ными линиями, а переходы атома из одного стационарного состояния в другое - стрелками (рис.25.6).

Когда атом переходит с более вы­сокого на более низкий уровень (чему соответствует «перескок» электрона на более близкую к ядру орбиту), то происходит излучение кванта света. При поглощении, наоборот, па­дающий на атом квант (фотон) пере­водит атом из состояния с меньшей в состояние с большей энергией; сам фо­тон при этом исчезает, а поглотивший его электрон оказывается на более да­лекой от ядра орбите.

Состояние атома сn =1 называют основным или нормальным состоянием . В этом состоянии энергия атома минимальна, и он может на­ходиться в нем (при отсутствии внешних воздействий) сколь угодно долго.

Все остальные состояния с n>1 называют возбужденными . В возбужденном состоянии атом может находиться в течение очень малого промежутка времени (порядка 10 -8 с), после чего самопро­извольно переходит в основное состояние (сразу или поэтапно, уро­вень за уровнем), излучая при этом соответствующие кванты.

В основном состоянии атом водорода обладает энергией Е і = -13,6 эВ. При переходе в возбужденные состояния его энергия воз­растает.

Минимальную энергию, которую нужно затратить для удаления электрона с первой боровской орбиты на «бесконечность», называют энергией ионизации W і или энергией связи атома водорода.

Таким образом, для ионизации атома водорода, находящегося в основном состоянии, ему необходимо сообщить энергию ΔЕ = W і = 13,6 эВ. Если же ему будет передаваться энергия ΔЕ < W і , то при ΔЕ=Е n -Е і атом перейдет в состояние с энергией Е п, а при ΔЕ ≠ Е n -Е і поглощения энергии не произойдет и атом останется в прежнем со­стоянии.

Такой («скачкообразный») характер поглощения энергии должен наблюдаться для атомов любого химического элемента. Для атомов ртути он был обнаружен уже в 1913 г. немецкими физиками-экс­периментаторами Д. Франком и Г. Герцем. Их опыты подтвердили существование в атомах дискретных энергетических уровней, что сыг­рало важнейшую роль в развитии квантовой теории атома.