ых» орбитах ои вращается, не излучая энергии.

2. Ближайшая к ядру орбита соответствует наиболее устойчивому («нормальному») состоянию атома. При сообщении последнему энергии извне электрон может перейти на одну нз более удаленных орбит, причем запас его энергии будет тем больше, чем дальше от ядра

орбита, на которую он переходит. Иначе это выражают, говоря, что такой электрон находится на более высоком энергетическом уровне. Атом, содержащий электрон на одном из высоких энергетических уровней, в отличие от нормального, называют «возбужден-н ы м». Как показывает опыт, обратный переход из возбужденного состояния в нормальное осуществляется весьма быстро: средняя «продолжительность жизни» большинства возбужденных атомов оценивается величинами порядка Ю-8 сек.

Рис. Ш-22. Возможные электронные орбиты атог ма водорода по Бору.

3. Поглощение и излучение атомом энергии имеет место только при перескоке электрона с одной орбиты на другую. При этом разность энергий начального (Ев) и конечного (?к) состояний воспринимается или отдается в виде кванта лучистой энергии (фотона), отвечающего излучению с частотой колебаний, определяемой соотношением hx = ?н — Ен.

Изложенные представления позволили вычислить радиусы различных «дозволенных» квантовыми условиями орбит электрона в атоме водорода. Оказалось, что они относятся друг к другу как 12:22:32:42: ... :п2. Величина п была названа главным квантовым числом. Как видно из приведенного выше, п может принимать различные значения, соответствующие натуральному ряду целых чисел.

Радиус ближайшей к ядру орбиты (п = 1) оказался для водорода равным 0,53 А. Электрон вращается по ней со скоростью около

И Т. Д.

2200 км/сек (средняя скорость вращения Земли вокруг Солнца составляет 30 км/сек). На рис. Ш-22 дана схема возможных для атома водорода орбит, причем приведены лишь первые четыре. Скорость ©ращения электрона на второй из них вдвое меньше, чем на первой, на третьей — втрое меньше

3,4

Работа, которую необходимо затратить для вырывания электрона водородного атома с той или иной орби-ты, обратно пропорциональна квадрату ее главного квантового числа. Поэтому, например, вырвать электрон с третьей орбиты в девять раз легче, чем с первой.

Рис

Ш-23. Схема происхождения водородного спектра.

Вычисленные частоты излучений, возникающих при перескоках электрона с одних орбит на другие, оказались совпадающими с частотами линий наблюдаемого на опыте водородного спектра. Как видно нз рис. 111-23, перескокам с различных более удаленных от ядра орбит на отвечающую п = 1 соответствуют линии серии, лежащей в ультрафиолетовой области, перескокам на орбиту с п = 2 — линии серии Бальмера (рис. III-21), а перескокам на орбиты с п = 3, 4 и 5 — линии трех серий, лежащих в инфракрасной области. Две последние серии были обнаружены экспериментально уже после разработки теории водородного атома и именно на основе ее предсказаний.5-6

Если сообщить водородному атому достаточную энергию, то происходит его ионизация — распад на электрон и протон. Энергия, которую нужно для этого затратить, отвечает п = оо (рис. Ш-24) и называется энергией ионизации (/). Она определена из спектра и

300

для нормального состояния атома водорода составляет 313,6 ккал на грамм-атом:

Н +313,6 к/сал = Н++ еГГ=3

250

LL

11

По соотношению / = 313,6/п2 энергия ионизации может быть рассчитана и для возбужденных состояний атома водорода.7

200

/50100

50

•n*t>

Дальнейшее развитие теории водородного атома было дано Зоммерфельдом (1916 г.), показавшим, что кроме круговых орбит электрон может двигаться и по эллиптическим (с ядром в одном из фокусов эллипса), причем почти одинаковому уровню энергии соответствует столько возможных типов орбит, сколько единиц в главном квантовом числе. Последнее определяет размер большой полуоси данного семейства эллипсов (в частном случае круга — его радиус). Величина малой полуоси определяется «побочным» квантовым числом (k), которое также принимает значения последовательных целых чисел, но не может быть больше главного.

Рис. Ш-24. Уровни энергии атома водорода {ккал(г-атом).

Для большой полуоси эллипса действительно соотношение а = п2г, а для малой Ь = nkr, где г — радиус орбиты при нормальном состоянии атома (0,53 А). Например, для главного квантового числа 3 возможны три типа эллипсов, характеризующиеся обозначениями 3|, Зг и Зз, которые показывают, что большая полуось относится к малой соответственно как 3:1, 3:2 и 3:3. В последнем случае имеем частный вид эллипса — круг, который один только и рассматривался первоначальной теорией.

Зом-энерМодель возможных электронных орбит атома водорода по мерфельду показана на рис. III-25. Отвечающие каждой из них гетические уровни (подуровни) схематически сопоставлены на рис. Ш-26 (Б) с уровнями, соответствующими только круговым орбитам (Л). Произведенное Зоммерфельдом уточнение модели водородного атома позволило объяснить тонкую структуру спектральных линии.

Рис. III-25- Схема возможных электронных