5313

Атом водорода

Контрольная

Физика

Атом водорода В атоме водорода или водородоподобном ионе потенциальная энергия электрона равна где Ze заряд ядра, r расстояние между ядром и электроном. Уравнение Шредингера имеет в этом случае вид Поскольку п...

Русский

2012-12-07

198.5 KB

18 чел.

Атом водорода

В атоме водорода или водородоподобном ионе потенциальная энергия электрона равна  где Ze — заряд ядра, r — расстояние между ядром и электроном.

Уравнение Шредингера имеет в этом случае вид  (1)

Поскольку поле является центрально-симметричным, удобно воспользоваться сферической системой координат: r, , . Подставив в (1) выражение оператора Лапласа в сферических координатах, получим уравнение:

 (2)

Можно показать, что уравнение (2) имеет требуемые (т. е. однозначные, конечные и непрерывные) решения в следующих случаях: 1) при любых положительных значениях Е; 2) при дискретных отрицательных значениях энергии, равных  (n=1, 2, 3,…).  (3)

Случай Е > 0 соответствует электрону, пролетающему вблизи ядра и удаляющемуся вновь на бесконечность. Случай Е < 0 соответствует электрону, находящемуся в пределах атома. Сравнение (3) с (5) показывает, что квантовая механика приводит к таким же значениям энергии водородного атома, какие получались и в теории Бора. Однако в квантовой механике эти значения полу- чаются логическим путем из основного предположения о том, что движение микрочастиц описывается уравнением Шредингера. Бору же для получения такого результата пришлось вводить специальные дополнительные предположения.

Собственные функции уравнения (2) содержат три целочисленных параметра. Один из них совпадает с номером уровня энергии п, два других принято обозначать буквами l и т. Эти числа называются квантовыми:

п — главное квантовое число,

l — азимутальное квантовое число,

т — магнитное квантовое число.

При данном п числа l и т могут принимать следую» щие значения:

L = 0, 1, 2, …, п -1,

т. е. всего п различных значений;

т=-l, -l+1, .... -1, 0, +1, .... l-1, l,

т. е. всего 2l + 1 различных значений.

Таким образом, каждому Еп (кроме Е1) соответствует несколько волновых функций  отличающихся значениями квантовых чисел l и т. Это означает, что атом водорода может иметь одно и то же значение энергии, находясь в нескольких различных состояниях.

Состояния с одинаковой энергией называются вырожденными, а число различных состояний с каким-либо значением энергии называется кратностью вырождения соответствующего энергетического уровня.

Кратность вырождения уровней водорода легко вычислить, исходя из возможных значений для l и т. Каждому из п значений квантового числа l соответствует 2l + 1 значений квантового числа т. Следовательно, число   различных состоя-

ний, соответствующих данному п, равно

Таким образом, каждый уровень энергии водородного атома имеет вырождение кратности п2.

В табл. 3 приведены состояния, соответствующие первым трем энергетическим уровням.

Как мы выяснили, состояние электрона в водородном атоме зависит от трех квантовых чисел п, l и т, причем значение главного квантового числа п. определяет энергию состояния. Естественно предположить, что и два других квантовых числа определяют какие-то физические величины. Действительно, в квантовой механике доказывается, что азимутальное квантовое число l определяет величину момента импульса электрона в атоме, а магнитное квантовое число т — величину проекции этого момента на заданное направление в пространстве. Под заданным направлением (мы будем обозначать его буквой z) понимают направление, выделенное физически,путем создания, например магнитного или электрического поля.

Момент импульса М оказывается равным:  (4)

Проекция момента импульса на заданное направление равна: Мz = mh. (5)

Соотношения (4) и (5) показывают, что момент импульса электрона в атоме и проекция этого момента являются, как и энергия, квантованными величинами. Постоянную h можно рассматривать как естественную единицу момента импульса.

Итак, состояния с различными значениями азимутального квантового числа l отличаются величиной момента импульса. В атомной физике применяются заимствованные из спектроскопии условные обозначения состояний электрона с различными значениями момента импульса. Электрон, находящийся в состоянии с l = 0, называют s-электроном (соответствующее состояние — s-состояни-ем), с l = 1 — р-электроном, с l = 2 d-электроном, с l = 3 — f-электроном, затем идут g, h и т. д. уже по алфавиту. Значение главного квантового числа указывается перед условным обозначением квантового числа l. Таким образом, электрон в состоянии с п = 3 и l = 1 обозначается символом Зр и т. д.

Поскольку l всегда меньше п, возможны следующие состояния электрона:

1s

2s, 2p,

3s, 3p, 3d,

4s, 4p, 4d, 4f

и.т.д.

Схему уровней энергии можно изобразить пользуясь схемой, показанной на рис. 1. На этой схеме отражено (правда, частично) вырождение уровней; кроме того, она имеет еще ряд существенных преимуществ, которые вскоре станут очевидными.

Мы знаем, что испускание и поглощение света происходит при переходах электрона с одного уровня на другой. В квантовой механике доказывается, что возможны только такие переходы, при которых квантовое число / изменяется на единицу: . (6)

Условие, выраженное соотношением (6), называется правилом отбора. Существование правила (6) обусловлено тем, что фотон обладает собственным моментом импульса (спином), равным примерно h (в дальнейшем мы уточним его значение). При испускании фотон уносит из атома этот момент, а при поглощении привносит, так что правило отбора (6) есть просто следствие закона сохранения момента импульса.

На рис. 198 показаны переходы, разрешенные правилом (6). Пользуясь условными обозначениями состояний электрона, переходы, приводящие к возникновению серии Лаймана, можно записать в виде:

np1s    (n = 2, 3, ...); серии Бальмера соответствуют переходы:

ns2p и nd2p    (n = 3, 4, ...),

и т. д.

Состояние 1s является основным состоянием атома водорода. В этом состоянии атом обладает минимальной энергией. Чтобы перевести атом из основного состояния в возбужденное (т. е. в состояние с большей энергией), ему необходимо сообщить энергию. Это может быть осуществлено за счет теплового соударения атомов (по этой причине нагретые тела светятся — атомы излучают, возвращаясь из возбужденного в основное состояние), или оптического возбуждения. Кроме обозначенных квантовых чисел имеет место спиновое квантовое число, характеризующее собственный механический момент электрона в атоме.

Нормальный эффект Зеемана

Если атомы, излучающие свет, поместить в магнитное поле, то линии, испускаемые этими атомами, расщепляются на несколько компонент. Это явление было обнаружено голландским физиком Зееманом в 1896 г. при наблюдении свечения паров натрия и носит его имя. Расщепление весьма невелико — при Н = 20  30 тысяч эрстед оно достигает лишь несколько десятых долей ангстрема.

Напрашивается предположение, что расщепление линий обусловлено расщеплением под действием магнитного поля энергетических уровней атома. Причину такого расщепления легко понять, если учесть, что вращающийся по орбите электрон обладает, наряду с механическим  моментом М, также и магнитным моментом: (6)

Хотя представление об орбитах, как и вообще представление о траекториях микрочастиц, является неправильным, соотношение (6) остается, как показывает опыт, справедливым.

Известно, что магнитный момент обладает в магнитном поле энергией:

(7) где  — проекция магнитного момента на направление поля.

Вычислим величину орбитального магнитного момента электрона и величину проекции момента на направление поля. Подставим в соотношение (7) квантово-механическое выражение для механического момента:

Величина  эрг/гаусс (8) называется магнетоном Бора.

Проекция магнитного момента на направление поля равна: где  т — магнитное квантовое число.

Согласно (7) атом получает в магнитном поле добавочную энергию:

Следовательно, энергетический уровень Enl расщепляется на 2l + 1 равноотстоящих друг от друга подуровней (магнитное поле снимает вырождение по т), в связи с чем расщепляются и спектральные линии.

На рис. 1 показано рacщепление  уровней и спектральных линий для перехода между состояниями сl = 1 и l = 0 (для Р  S-перехода). В отсутствие поля наблюдается одна линия, частота которой обозначена . При включении поля, кроме линии o, появляются две

расположенные  симметрично  относительно  нее линии с частотами  и .

На рис. 202 дана аналогичная схема для более сложного случая — для перехода DP. На первый взгляд может показаться, что первоначальная линия должна в этом случае расщепиться на семь компонент. Однако на самом деле получается, как и в предыдущем случае, лишь три компоненты: линия с частотой ю0 и две симметрично расположенные относительно нее линии с частотами  и . Это объясняется тем, что для магнитного квантового числа т также имеется правило отбора, согласно которому возможны только такие переходы, при которых квантовое число т либо остается неизменным, либо изменяется на единицу:

(8)

Происхождение этого правила можно пояснить следующим образом. Если механический момент электрона

при излучении изменяется на единицу (фотон уносит с собой момент, равный единице), то изменение проекции момента не может быть больше единицы.

С учетом правила (9) возможны только переходы, указанные на рис. 3. В результате получаются три компоненты с частотами, указанными выше. Опыт показывает, что эти компоненты поляризованы. Характер поляризации зависит от направления наблюдения. При поперечном наблюдении (т. е. при наблюдении в направлении, перпендикулярном к вектору Н ) световой (электрический) вектор несмещенной компоненты (ее называют я-компонентой) колеблется в направлении, параллельном вектору Н, а в смещенных с-компонентах — в направлении, перпендикулярном к Н (рис. 3, а). При продольном наблюдении получаются только две смещенные компоненты. Обе поляризованы по кругу: смещенная в сторону меньших частот — против часовой стрелки, смещенная в сторону больших частот — по часовой стрелке (рис. 3, б).

Получающееся в рассмотренных случаях смещение компонент называется  нормальным или лоренцевым смещением. Величина нормального смещения, очевидно, равна:

 (9)

Оценим величину расщепления компонент ДХ для поля порядка 104 эрстед. Поскольку ,

Частота и для видимого света имеет порядок 3-1015 сек-1 .Следовательно,


за счет столкновения атома с достаточно быстрым электроном, или, наконец, за счет поглощения атомом фотона.

Фотон при поглощении его атомом исчезает, передавая атому всю свою энергию. Атом не может поглотить только часть фотона, ибо фотон, как и электрон, как и

другие элементарные частицы, является неделимым. Поэтому атом может поглощать только те фотоны, энергия которых в точности соответствует разности энергий двух его уровней. Поскольку поглощающий атом обычно находится в основном состоянии, спектр поглощения водородного атома должен состоять из линий, соответствующих переходам

1snp    (n = 2, 3, ...). Этот результат полностью согласуется с опытом.

Собственные функции s-состояний (т. е. состояний с l = 0) оказываются не зависящими от углов  и . Это можно записать следующим образом:

Вероятность найти электрон в тонком шаровом слое радиуса r и толщины dr согласно (66.1) равна .

Выражение  представляет собой плотность вероятности нахождения электрона на расстоянии r от ядра.

Волновые функции для l, отличных от нуля, распадаются на два множителя, один из которых зависит только от r, а другой — только от углов  и . Таким образом, и в этом случае можно ввести понятие плотности вероятности нахождения электрона на расстоянии r от ядра, подразумевая под R(r) ту часть функции , которая зависит только от r.

На рис. 5 приведены плотности вероятности для случаев: 1) п = 1, l = 0; 2) п = 2, l = 1 и 3) п = 3, l = 2. За единицу масштаба для оси r принят радиус первой боровской орбиты. На графиках отмечены радиусы соответствующих боровских орбит. Как видно из рисунка, эти радиусы совпадают с наиболее вероятными расстояниями электрона от ядра.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

52953. Life of a Society. Famous people of the USA 48.5 KB
  Today we start learning a new theme “Life of a Society. Famous people of the USA”. While learning this theme you’ll extend your imagination about some famous people of the USA, there deeds, inventions, interests. You’ll learn how there deeds and ideas have changed life of a society, and have made and still are making history. You’ll extend your vocabulary and broaden your world outlook, practise skills of making simple projects. And I hope, you’ll enjoy English.
52955. Чарівні фарби 52.5 KB
  Яка одноманітна похмура і незвична картина виходить Виявляється дуже багато в нашому житті означає колір Маки червоні. Будьякий предмет має свій колір. Через колір ми пізнаємо природу що нас оточує. Що ж таке колір Яка його природа Чому одні предмети сині інші червоні а треті зелені Щоб відповісти на це запитання відгадайте загадку: Що у світі най світліше Наймиліше найтепліше Все від нього навкруги Набирається снаги.
52956. Їжа. Фрукти та овочі 37.5 KB
  Розглянь малюнки і скажи, яку піцу любить Джулія, а яку Мері.T: What does Julia like on her pizza? P: She like tomatoes, cheese, sausage and a cucumber on her pizza. T: What does Mary like on her pizza? P: She like meat, eggs, onion, mushrooms, tomatoes and some oil on her pizza. Згадування слів usually, never. Гра “Find the difference”.s n pple Wht colour is this fruit Its red. T: Wht does Juli like on her pizz P: She like tomtoes cheese susge nd cucumber on her pizz. T: Wht does Mry like on her pizz P: She like met eggs onion mushrooms tomtoes nd some oil on her pizz. T: Wht is yellow in your picture P: Bnns lemons nd oil.
52958. ПРОГРАМА ФІЛОСОФСЬКО-ПРАВОВОГО КЛУБУ «ФЕМІДА» 145.5 KB
  Мета програми підвищення рівня правової культури та набуття школярами необхідних правових знань формування у них поваги до права. Поставлена мета передбачає вирішення таких завдань: сприяти формуванню у дітей розуміння фундаментальних принципів і цінностей таких як права людини демократія правова держава тощо що складають основу демократичного суспільства в Україні; ознайомити учнів із основами правознавства важливою роллю права в житті окремої особистості та всього суспільства прищепити інтерес до права та мотивувати його...
52959. Фестиваль педагогического мастерства как форма повышения профессиональной компетентности современного учителя 81 KB
  Поиск форм совершенствования качества научнометодической деятельности Гвардейского УВК привел нас к идее организации комплексного сквозного образовательного мероприятия Фестиваля По ступенькам творчества к вершинам мастерства направленного на решение актуальных задач таких как: 1. Важной задачей организаторов Фестиваля было создание условий для участия в нем большинства членов педагогического коллектива. Организаторы Фестиваля определили что таковыми условиями прежде всего должны быть: Освоение успешного опыта коллег;...
52960. Feste und Bräuche Winterfeste in Deutschland 56.5 KB
  Zu diesem Fest basteln die Kinder mit ihren Eltern Laternen. Am Abend nehmen die Kinder ihre Laternen und gehen von Haus zu Haus. Ihre Laternen leuchten, und am Himmel leuchten der Mond und die Sterne. Die Kinder singen Lieder und bekommen Süßigkeiten. Alle finden dieses Fest lustig. (der Martinstag)
52961. Feste in der Ukraine. Свята в Україні 90.5 KB
  Мета.1.Ознайомити учнів з новою лексикою до теми:"Feste in der Ukraine”; виявити відмінності святкування свят в Німеччині та в Україні; навчати вести бесіду за темою. 2.Розвивати та удосконалювати навички монологічного та діалогічного мовлення за темою; розвивати память, здогадку. 3.Виховувати в учнів любов і повагу до звичаїв та традицій німецького та українського народу