Линейчатые спектры излучения и поглощения разреженных газов. Серия Бальмера. Серия Пашена. Серия Лаймана. Обобщенная формула Бальмера.

Поглощение излучения. Если атом находится в основном состоянии, то под действием внешнего излучения может осуществиться вынужденные переход в возбуждённое состояние, приводящий к поглощению излучения.

Спонтанное излучение. Атом из возбуждённого состояния может спонтанно перейти в основное состояние, испуская при этом фотон с энергией:

Исследования спектров излучения разреженных газов (т. е. спектров излучения отдельных атомов) показали, что каждому газу присущ вполне определенный линейчатый спектр, состоящий из групп близко расположенных линий. Самым изученным является спектр наиболее простого атома — атома водорода. Линии в спектрах атомов располагаются не беспорядочно, а объединяются в группы или, как их ещё называют, серии линий.

Атом может испускать фотоны только с фиксированными дискретными частотами, поэтому спектр испускания является линейчатым.

Спектр поглощения получается при прохождении белого света через разреженный газ. Он состоит из тёмных линий (полос поглощения), накладывающихся на непрерывный спектр источника света.

Швейцарский ученый И. Бальмер подобрал эмпирическую формулу, описывающую все известные в то время спектральные линии атома водорода в видимой области спектра:

Из выражений вытекает, что спектральные линии, отличающиеся различными значениями n, образуют группу или серию линий, называемую серией Бальмера. С увеличением n линии серии сближаются; значение n= определяет границу серии, к которой со стороны больших частот примыкает сплошной спектр.

В дальнейшем (в начале XX в.) в спектре атома водорода было обнаружено еще несколько серий. В ультрафиолетовой области спектра находится серия Лаймана:

В инфракрасной области спектра были также обнаружены: 

серия Пашена

серия Брэкета

Все приведенные выше серии в спектре атома водорода могут быть описаны одной формулой, называемой обобщенной формулой Бальмера:

где m имеет в каждой данной серии постоянное значение, m= 1, 2, 3, 4, 5, 6 (определяет серию), n принимает целочисленные значения начиная с m+1 (определяет отдельные линии этой серии).

Рентгеновское излучение. Устройство рентгеновской трубки. Спектр рентгеновского излучения. Закон Мозли.

Электроны, испускаемые нагретой проволокой (катодом) в результате термоэлектронной эмиссии в вакуумной трубке, ускоряются высоким напряжением. При соударении электронов с поверхностью анода испускается рентгеновское излучение (тормозное рентгеновское излучение).

При обычном способе получения рентгеновского излучения, например, с помощью рентгеновских трубок, получают широкий диапазон длин волн, который называют рентгеновским спектром, который состоит из тормозной и характеристической составляющих.

Тормозное излучение имеет широкий непрерывный спектр, появление которого вызвано торможением электронов на материале анода. Мощность тормозного рентгеновского излучения P зависит от порядкового атомного номера материала анода Z, силы тока I, протекающего через трубку, квадрата приложенного напряжения U, и выражается формулой:

Коэффициент полезного действия трубки не более 1%.

Другой особенностью рентгеновского спектра является наличие отчетливо выраженных пиков характеристического излучения.

Как известно, атомы состоят из ядер, окруженных электронами, энергии которых имеют дискретные значения. Энергетические уровни электронов сгруппированы по электронным оболочкам, которые обозначаются символами K, L, M и т.д.

Когда налетающий электрон сталкивается с одним из электронов, находящимся, например, на K-оболочке, он выбивает его. Опустевшее место занимает электрон с другой L- или M-оболочки, которой соответствует большая энергия. В этом случае возникает Кα излучение, а во втором Кβ излучение характеристического спектра.

Поскольку электроны оболочек имеют дискретные значения энергии, возникающие рентгеновские фотоны тоже обладают дискретным спектром. Этому соответствуют острые пики для определенных длин волн, конкретные значения которых зависят от атомного номера элементов входящих в состав материала мишени.

Закон Мозли

Закон, связывающий частоту спектральных линий характеристического рентгеновского излучения атома химического элемента с его порядковым номером. Экспериментально установлен английским физиком Генри Мозли в 1913 году.

Квадратный корень частоты характеристического рентгеновского излучения линейно зависит от атомного номера Z:

Электрон при переходе между уровнями находится в поле ядра, притяжение которого ослаблено экранирующим действием окружающих его электронов. Это экранирующее действие учитывается вычитанием из зарядового числа постоянной экранирования (чем ближе к ядру, тем меньше электронов мешают).