www.wikidata.uk-ua.nina.az

Спектр атома водню Ця стаття присвячена енергетичному спектру атома водню Якщо вас цікавлять інші властивості хімічного

Спектр атома водню

А́том во́дню (Гідроген) — найпростіший з атомів хімічних елементів.

Протон оточений електронною хмарою

Він складається з позитивно зарядженого ядра, яке для основного ізотопа є просто протоном, й одного електрона.

Квантовомеханічна задача про дозволені енергетичні стани атома водню розв'язується точно. Зважаючи на цю обставину, хвильові функції, отримані як власні функції цієї задачі, є базовими для розгляду решти елементів періодичної таблиці. Тому спектр атома водню має велике значення для фізики й хімії.

Гамільтоніан Редагувати

До складу атома водню входить ядро з масою M і зарядом +e та електрон із зарядом -e. Взаємодія між ними — кулонівське притягання.

Гамільтоніан атома водню має вигляд

де  — радіус-вектор ядра, а  — радіус-вектор електрона.

При переході до системи координат, пов'язаної з центром мас, гамільтоніан розбивається на два незалежні доданки.

де  — сумарна маса електрона й ядра,  — приведена маса електрона,  — радіус-вектор центра мас,  — вектор, який сполучає ядро з електроном.

Перший член у гамільтоніані описує поступальний рух атома водню, як цілого. Надалі його не розглядатимемо.

У сферичній системі координат гамільтоніан відносного руху електрона навколо ядра записується у вигляді:

де  — оператор квадрата кутового моменту.

Гамільтоніан комутує з оператором квадрата кутового моменту, а тому має спільні з ним власні функції.

Власні функції й дозволені значення енергії Редагувати

Тривимірна візуалізація атомних орбіталей

Власні функції гамільтоніана мають вигляд:

де ,  — радіус Бора,  — поліноми Лаґерра,  — сферичні гармоніки.

Функції характеризуються трьома цілими квантовими числами

  • n = 1,2,3… — основне квантове число.
  • l = 0..n-1 — орбітальне квантове число.
  • m = -l..l — магнітне квантове число.

Крім того, електронні хвильові функції характеризуються ще одним квантовим числом — спіном, який з'являється при врахуванні релятивістських ефектів. Спінове квантове число набуває значення .

Власні значення гамільтоніана дорівнюють

де еВ — константа (α — стала тонкої структури).

Власні значення гамільтоніана відповідають можливим значення енергії атома водню. Вони залежать тільки від основного квантового числа n. Кожен з енергетичних рівнів атома водню, крім першого, вироджений. Одному значенню енергії відповідає n2 можливих функцій, а з урахуванням спіну — 2n2.

Хвильова функція основного стану Редагувати

В основному стані хвильова функція атома водню має вигляд:

де Z = 1 — зарядове число для ядра атома водню.

Неперервний спектр Редагувати

Окрім дискретних рівнів з від'ємною енергією атом водню має нескінченне число станів з додатньою енергією, в яких хвильові функції нелокалізовані. Ці стани відповідають іонізованому атому.

Оптичні переходи Редагувати

Спектральні лінії атома водню

Згідно з положеннями квантової механіки (див. Золоте правило Фермі) при випромінюванні чи поглинанні світла квантовомеханічною системою має виконуватися закон збереження енергії. Наприклад, при випромінюванні кванта світла, енергія атома водню змінюється на величину , де ω — циклічна частота світла. Але енергія атома водню може мати лише конкретні значення, визначені вище. Таким чином, атом водню в найнижчому основному стані не може випромінювати світло, бо не може зменшити своєї енергії. Якщо атом водню перебуває в першому збудженому стані, то при випромінюванні він може перейти лише в основний стан. При цьому енергія випроміненого фотона дорівнює різниці . І так далі, атом у другому збудженому стані може перейти лише в основний стан і перший збуджений тощо.

При поглинанні світла атомом водню відбуваються схожі процеси. Атом в основному стані має енергію і може перейти в стани з енергією . При цьому поглинаються виключно лише ті фонони, які мають енергії .

Таким чином спектр поглинання й спектр випромінювання атома водню складається із серії тонких ліній, які згущуються до певної частоти (межі серії), а на вищих частотах перетворюється на неперервний спектр, оскільки високоенергетичні збудження відповідають іонізації атома, коли електрон, який відривається від ядра, може мати довільну енергію.

Лінійчастий спектр атома водню складається з ліній поглинання з частотами, які визначаються за формулою Рідберґа:

де m і n>m — цілі числа, m — головне квантове число. У спектрі виділяють:

Тонка структура Редагувати

Тонка структура рівнів з n =2. Ліворуч — нерозщеплений рівень, який виникає в нерелятивістській теорії

Приведений розрахунок енергетичного спектру атома водню ґрунтувався на рівнянні Шредінгера, яке не є Лоренц-інваріантним, а, отже, узгоджується з теорією відносності лише наближено. Релятивістським аналогом рівняння Шредінгера є рівняння Дірака. Суттєва відмінність рівняння Дірака від рівняння Шредінгера в тому, що рівняння Дірака вводить поняття спіна. Таким чином, крім наведених вище квантових чисел n, l, m, електрон атома водню характеризується ще й спіном. Кількісні поправки, які вносить у енергетичний спектр атома водню релятивістський розгляд, невеликі, бо середня швидкість електрона в атомі водню мала порівняно зі швидкістю світла. Однак, у спектрах є суттєва якісна відмінність. Ретельне вивчення спектрів показало, що лінії спектру розщеплюються на невеличкі серії. Це розщеплення отримало назву тонкої структури.

Як відомо, при врахуванні спіна, власні стани квантовомеханічних систем краще характеризувати не орбітальним квантовим числом l, а квантовим числом повного моменту j. Енергія власних станів атома водню приблизно дорівнює

де  — універсальна стала, яка отримала назву сталої тонкої структури. Стала тонкої структури — мала величина (), а отже релятивістські поправки, які пропорційні квадрату сталої тонкої структури, є дуже малими. Однак, енергетичні рівні з певним n розщеплюються на кілька рівнів із різними j. Кожен такий рівень усе ще 2(2j+1) разів вироджений.

Наприклад, основний стан має l = 0, j = s = 1/2. Цей стан позначається 1S1/2 . Він двократно вироджений і два можливі стани відповідають різним проєкціям спіна .

Перший збуджений стан розщеплюється на два:

  • Стан 2P3/2, для якого j = 3/2, l = 1. Цей стан чотирикратно вироджений.
  • Стани 2S1/2 (j= 1/2, l = 0) і 2P1/2 (j = 1/2, l=1), кожен із яких теж двократно вироджений.

Надтонка структура Редагувати

Надтонка структура виникає, якщо врахувати взаємодію спіна електрона зі спіном ядра (протона).

Основний енергетичний стан нейтрального атома водню розщеплюється на два близькі підрівні: верхній (збуджений) рівень відповідає паралельним спінам ядра та електрона, а нижній (основний) — антипаралельним. Перехід між ними пов'язаний із випромінюванням (або поглинанням) кванта з енергією ~ 5,874 33 µeV, що відповідає частоті 1 420 405 751,7667 ± 0,0009 Hz (довжині хвилі  у вакуумі — 21,106 114 542 см). Цей перехід є забороненим (в електродипольному наближенні), однак він дозволений у магнітодипольному наближенні, щоправда, із надзвичайно малим коефіцієнтом — 2,9× 10−15 с−1, тобто, середній час існування збудженого стану становить близько 11 мільйонів років.

Спонтанний перехід у лабораторних умовах має дуже низьку інтенсивність. Але в астрономічних масштабах, завдяки поширеності атомарного водню, лінія досить інтенсивна. Вона лежить у мікрохвильовому діапазоні, в якому земна атмосфера майже прозора, тому її можна спостерігати безпосередньо з поверхні Землі. Дослідження лінії в радіоастрономії дає надзвичайно важливу інформацію про розподіл нейтрального Гідрогену в міжзоряному середовищі та галактиках.

Детальніші відомості з цієї теми ви можете знайти в статті Радіолінія гідрогену 21 см.

Вимушене випромінювання на лінії 21 см застосовується для побудови гідрогенового мазера[en] (квантового генератора частоти), що має досить високу точність (~10−13).

Лембів зсув Редагувати

Наведений вище опис оптичних переходів у атомі водню не враховує квантової природи світла. При квантовомеханічному розгляді фотони описуються рівняннями, аналогічними рівнянню квантового гармонічного осцилятора. Важливим фізичним наслідком квантового розгляду світла є існування нульових коливань навіть у тому випадку, коли кількість фотонів дорівнює нулю. Взаємодія квантовомеханічних систем із нульовими коливаннями призводить до спонтанного випромінювання, до невеличкого зсуву положення енергетичних рівнів і є причиною того, що лінії спектру не є нескінченно тонкими.

Для атома водню це має такі наслідки:

  • Атом не може існувати в збудженому стані нескінченно довго. Рано чи пізно відбувається спонтанний перехід до основного стану з випромінюванням фотона.
  • Кожна спектральна лінія природно уширена.
  • Рівні атома водню дещо змішуються з положення, передбаченого формулами вище. Цей зсув, який отримав назву Лембового, різний для різних станів. Так, наприклад, навіть із врахуванням тонкого розщеплення рівні 2S1/2 і 2P1/2 мають однакову енергію. Однак, врахування взаємодії з нульовими коливаннями електромагнітного поля призводить до дуже малого розщеплення. Величина розщеплення дорівнює 1057,77(1) МГц. Таким чином, атом водню, збуджений у стан із головним квантовим числом n = 2, поглинає радіочастотне випромінювання завдяки переходам між 2S1/2 і 2P1/2 рівнями.

Атом водню в магнітному полі Редагувати

У зовнішньому магнітному полі вироджені енергетичні рівні з різними магнітними квантовими числами m розщеплюються. Це розщеплення пропорційне прикладеному полю. Відповідним чином розщеплюються лінії у спектрах випромінювання та поглинання.

Детальніші відомості з цієї теми ви можете знайти в статті ефект Зеемана.

Атом водню в електричному полі Редагувати

Атом водню — єдина квантовомеханічна система, в якій в слабких електричних полях спостерігається лінійний ефект Штарка, тобто спектральні терми розщеплюються на компоненти, й величина розщеплення пропорційна електричному полю. Цей факт зумовлений виродженням ліній із різним значенням орбітального квантового числа l. Зовнішнє електричне поле частково знімає таке виродження.

Детальніші відомості з цієї теми ви можете знайти в статті ефект Штарка.

Воднеподібні серії рівнів Редагувати

Детальніші відомості з цієї теми ви можете знайти в статті Водневоподібний атом.

Воднеподібні серії рівнів виникають в інших задачах квантової механіки. Серед них:

  • Ізотопи водню: дейтерій та тритій мають енергетичні спектри, які відрізняються від спектра водню лише значенням зведеної маси. Ретельне вивчення оптичних переходів дозволяє перевірити справедливість основних формул.
  • Йон гелію He+ та йон літію Li2+ теж мають по одному електрону, але більший заряд ядра. Вивчаючи оптичні спектри цих йонів можна перевірити залежність положення енергетичних рівнів від величини заряду.
  • Зв'язані з протоном мюони. Мюони загалом схожі на електрони, але мають набагато більшу масу. Зв'язавшись із протонами вони утворюють воднеподібні атоми.
  • Воднеподібні домішкові рівні в напівпровідниках. Донори й акцептори в напівпровідниках мають заряд, який відрізняється на одииницю від заряду сусідніх атомів. Проте завдяки великому значенню діелектричної проникності, електрони чи дірки слабо притягаються до цих атомів. Радіуси електронних орбіт в напівпровідниках загалом простягаються на десятки періодів кристалічної ґратки.
  • Екситони Ваньє-Мотта — зв'язані стани електрона й дірки в напівпровідниках. Мають воднеподібну серію енергетичних станів.

Див. також Редагувати

Примітки Редагувати

  1. Формули на цій сторінці записані в системі СГС (СГСГ). Для перетворення в Міжнародну систему величин (ISQ) дивись Правила переводу формул із системи СГС в систему ISQ.
  2. Це виродження є характерною особливістю атома водню. Для інших атомів рівні енергії залежать як від основного кватового числа n, так і від орбітального квантового числа l. Залишається лише виродження відносно магнітного квантового числа m і спіну. Це виродження знімається зовнішнім магнітним полем.
  3. Про те, як позначаються стани див. статтю Електронні терми атомів

Джерела Редагувати

  1. . Hyperphysics. Georgia State University. 30 жовтня 2004. Архів оригіналу за 29 липня 2018. Процитовано 20 вересня 2008. 
  2. ↑ Dupays, Arnaud; Beswick, Alberto; Lepetit, Bruno; Rizzo, Carlo (August 2003). . Physical Review A 68 (5). Bibcode:2003PhRvA..68e2503D. arXiv:quant-ph/0308136. doi:10.1103/PhysRevA.68.052503. Архів оригіналу за 14 січня 2019. Процитовано 22 травня 2019. 
  3. ↑ Шкловский, И.С. (1949). Астрономический журнал 26 (10). 
  4. ↑ Радіолінія водню 21 см // Астрономічний енциклопедичний словник / за заг. ред. І. А. Климишина та А. О. Корсунь. — Львів : Голов. астроном. обсерваторія НАН України : Львів. нац. ун-т ім. Івана Франка, 2003. — С. 392. — ISBN 966-613-263-X.
  5. ↑ Гайгеров Б. А. и др. (1972). . Измерительная техника (11). Архів оригіналу за 16 липня 2019. Процитовано 22 вересня 2017. 

Посилання Редагувати

  • Білий М. У., Охріменко Б. А. Атомна фізика. — К. : Знання, 2009. — 559 с.
  • Юхновський І. Р. Основи квантової механіки. — К. : Либідь, 2002. — 392 с.
  • Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Квантовая механика. Нерелятивистская теория // Теоретическая физика. — М. : Физматлит, 2008. — Т. 3. — 800 с.
Ця стаття належить до добрих статей української Вікіпедії.
Вікіпедія, Українська, Україна, книга, книги, бібліотека, стаття, читати, завантажити, безкоштовно, безкоштовно завантажити, mp3, відео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, малюнок, музика, пісня, фільм, книга, гра, ігри
Дата публікації:
Cya stattya prisvyachena energetichnomu spektru atoma vodnyu Yaksho vas cikavlyat inshi vlastivosti himichnogo elementa divitsya stattyu voden A tom vo dnyu Gidrogen najprostishij z atomiv himichnih elementiv Proton otochenij elektronnoyu hmaroyuVin skladayetsya z pozitivno zaryadzhenogo yadra yake dlya osnovnogo izotopa ye prosto protonom j odnogo elektrona Kvantovomehanichna zadacha pro dozvoleni energetichni stani atoma vodnyu rozv yazuyetsya tochno Zvazhayuchi na cyu obstavinu hvilovi funkciyi otrimani yak vlasni funkciyi ciyeyi zadachi ye bazovimi dlya rozglyadu reshti elementiv periodichnoyi tablici Tomu spektr atoma vodnyu maye velike znachennya dlya fiziki j himiyi Zmist 1 Gamiltonian 2 Vlasni funkciyi j dozvoleni znachennya energiyi 3 Hvilova funkciya osnovnogo stanu 4 Neperervnij spektr 5 Optichni perehodi 6 Tonka struktura 7 Nadtonka struktura 8 Lembiv zsuv 9 Atom vodnyu v magnitnomu poli 10 Atom vodnyu v elektrichnomu poli 11 Vodnepodibni seriyi rivniv 12 Div takozh 13 Primitki 14 Dzherela 15 PosilannyaGamiltonian RedaguvatiDo skladu atoma vodnyu vhodit yadro z masoyu M i zaryadom e ta elektron iz zaryadom e Vzayemodiya mizh nimi kulonivske prityagannya Gamiltonian atoma vodnyu maye viglyad Prim 1 H ℏ 2 2 M R 2 ℏ 2 2 m r 2 e 2 R r displaystyle hat H frac hbar 2 2M nabla R 2 frac hbar 2 2m nabla r 2 frac e 2 mathbf R mathbf r nbsp de R displaystyle mathbf R nbsp radius vektor yadra a r displaystyle mathbf r nbsp radius vektor elektrona Pri perehodi do sistemi koordinat pov yazanoyi z centrom mas gamiltonian rozbivayetsya na dva nezalezhni dodanki H ℏ 2 2 M C R C 2 ℏ 2 2 m r 2 e 2 r displaystyle hat H frac hbar 2 2M C nabla R C 2 frac hbar 2 2 mu nabla rho 2 frac e 2 rho nbsp de M c M m displaystyle M c M m nbsp sumarna masa elektrona j yadra m M m M m displaystyle mu frac Mm M m nbsp privedena masa elektrona R C displaystyle mathbf R C nbsp radius vektor centra mas r r R displaystyle mathbf rho mathbf r mathbf R nbsp vektor yakij spoluchaye yadro z elektronom Pershij chlen u gamiltoniani opisuye postupalnij ruh atoma vodnyu yak cilogo Nadali jogo ne rozglyadatimemo U sferichnij sistemi koordinat gamiltonian vidnosnogo ruhu elektrona navkolo yadra zapisuyetsya u viglyadi H ℏ 2 2 m 1 r 2 r r 2 r L 2 2 m r 2 e 2 r displaystyle hat H frac hbar 2 2 mu frac 1 rho 2 frac partial partial rho left rho 2 frac partial partial rho right frac hat L 2 2 mu rho 2 frac e 2 rho nbsp de L 2 displaystyle hat L 2 nbsp operator kvadrata kutovogo momentu Gamiltonian komutuye z operatorom kvadrata kutovogo momentu a tomu maye spilni z nim vlasni funkciyi Vlasni funkciyi j dozvoleni znachennya energiyi Redaguvati nbsp Trivimirna vizualizaciya atomnih orbitalejVlasni funkciyi gamiltoniana mayut viglyad ps n l m r l e r 2 L n l 2 l 1 r Y l m 8 f displaystyle psi nlm tilde rho l e tilde rho 2 L n l 2l 1 tilde rho Y lm theta varphi nbsp de r 2 r n a 0 displaystyle tilde rho frac 2 rho na 0 nbsp a 0 displaystyle a 0 nbsp radius Bora L i j displaystyle L i j nbsp polinomi Lagerra Y l m 8 f displaystyle Y lm theta varphi nbsp sferichni garmoniki Funkciyi harakterizuyutsya troma cilimi kvantovimi chislami n 1 2 3 osnovne kvantove chislo l 0 n 1 orbitalne kvantove chislo m l l magnitne kvantove chislo Krim togo elektronni hvilovi funkciyi harakterizuyutsya she odnim kvantovim chislom spinom yakij z yavlyayetsya pri vrahuvanni relyativistskih efektiv Spinove kvantove chislo nabuvaye znachennya s z 1 2 displaystyle s z pm 1 2 nbsp Vlasni znachennya gamiltoniana dorivnyuyut E n R 1 n 2 displaystyle E n R frac 1 n 2 nbsp de R m a 2 2 ℏ 2 13 6 displaystyle R frac mu alpha 2 2 hbar 2 approx 13 6 nbsp eV konstanta a stala tonkoyi strukturi Vlasni znachennya gamiltoniana vidpovidayut mozhlivim znachennya energiyi atoma vodnyu Voni zalezhat tilki vid osnovnogo kvantovogo chisla n Kozhen z energetichnih rivniv atoma vodnyu krim pershogo virodzhenij Odnomu znachennyu energiyi vidpovidaye n2 mozhlivih funkcij a z urahuvannyam spinu 2n2 Prim 2 Hvilova funkciya osnovnogo stanu RedaguvatiV osnovnomu stani hvilova funkciya atoma vodnyu maye viglyad ps 1 s 1 p Z a 0 3 2 e Z r a 0 displaystyle psi 1s frac 1 sqrt pi left frac Z a 0 right 3 2 e Z rho a 0 nbsp de Z 1 zaryadove chislo dlya yadra atoma vodnyu Neperervnij spektr RedaguvatiOkrim diskretnih rivniv z vid yemnoyu energiyeyu atom vodnyu maye neskinchenne chislo staniv z dodatnoyu energiyeyu v yakih hvilovi funkciyi nelokalizovani Ci stani vidpovidayut ionizovanomu atomu Optichni perehodi Redaguvati nbsp Spektralni liniyi atoma vodnyuZgidno z polozhennyami kvantovoyi mehaniki div Zolote pravilo Fermi pri viprominyuvanni chi poglinanni svitla kvantovomehanichnoyu sistemoyu maye vikonuvatisya zakon zberezhennya energiyi Napriklad pri viprominyuvanni kvanta svitla energiya atoma vodnyu zminyuyetsya na velichinu ℏ w displaystyle hbar omega nbsp de w ciklichna chastota svitla Ale energiya atoma vodnyu mozhe mati lishe konkretni znachennya viznacheni vishe Takim chinom atom vodnyu v najnizhchomu osnovnomu stani ne mozhe viprominyuvati svitlo bo ne mozhe zmenshiti svoyeyi energiyi Yaksho atom vodnyu perebuvaye v pershomu zbudzhenomu stani to pri viprominyuvanni vin mozhe perejti lishe v osnovnij stan Pri comu energiya viprominenogo fotona dorivnyuye riznici E 1 E 0 displaystyle E 1 E 0 nbsp I tak dali atom u drugomu zbudzhenomu stani mozhe perejti lishe v osnovnij stan i pershij zbudzhenij tosho Pri poglinanni svitla atomom vodnyu vidbuvayutsya shozhi procesi Atom v osnovnomu stani maye energiyu E 0 displaystyle E 0 nbsp i mozhe perejti v stani z energiyeyu E n displaystyle E n nbsp Pri comu poglinayutsya viklyuchno lishe ti fononi yaki mayut energiyi ℏ w E n E 0 displaystyle hbar omega E n E 0 nbsp Takim chinom spektr poglinannya j spektr viprominyuvannya atoma vodnyu skladayetsya iz seriyi tonkih linij yaki zgushuyutsya do pevnoyi chastoti mezhi seriyi a na vishih chastotah peretvoryuyetsya na neperervnij spektr oskilki visokoenergetichni zbudzhennya vidpovidayut ionizaciyi atoma koli elektron yakij vidrivayetsya vid yadra mozhe mati dovilnu energiyu Linijchastij spektr atoma vodnyu skladayetsya z linij poglinannya z chastotami yaki viznachayutsya za formuloyu Ridberga ℏ w R 1 m 2 1 n 2 displaystyle hbar omega R left frac 1 m 2 frac 1 n 2 right nbsp de m i n gt m cili chisla m golovne kvantove chislo U spektri vidilyayut seriyu Lajmana m 1 Cya seriya roztashovana v ultrafioletovij oblasti spektru j bula pidtverdzhena eksperimentalno vzhe pislya togo yak Nils Bor peredbachiv yiyi isnuvannya seriyu Balmera m 2 Pershi liniyi ciyeyi seriyi lezhat v optichnomu diapazoni a yiyi mezha l 364 6 nm roztashovana v blizhnomu ultrafioleti seriya Pashena m 3 Seriya Pashena yak i vsi nastupni seriyi lezhit na infrachervonij dilyanci spektru seriya Breketa m 4 seriya Pfunda m 5 Tonka struktura Redaguvati nbsp Tonka struktura rivniv z n 2 Livoruch nerozsheplenij riven yakij vinikaye v nerelyativistskij teoriyiPrivedenij rozrahunok energetichnogo spektru atoma vodnyu gruntuvavsya na rivnyanni Shredingera yake ne ye Lorenc invariantnim a otzhe uzgodzhuyetsya z teoriyeyu vidnosnosti lishe nablizheno Relyativistskim analogom rivnyannya Shredingera ye rivnyannya Diraka Suttyeva vidminnist rivnyannya Diraka vid rivnyannya Shredingera v tomu sho rivnyannya Diraka vvodit ponyattya spina Takim chinom krim navedenih vishe kvantovih chisel n l m elektron atoma vodnyu harakterizuyetsya she j spinom Kilkisni popravki yaki vnosit u energetichnij spektr atoma vodnyu relyativistskij rozglyad neveliki bo serednya shvidkist elektrona v atomi vodnyu mala porivnyano zi shvidkistyu svitla Odnak u spektrah ye suttyeva yakisna vidminnist Retelne vivchennya spektriv pokazalo sho liniyi spektru rozsheplyuyutsya na nevelichki seriyi Ce rozsheplennya otrimalo nazvu tonkoyi strukturi Yak vidomo pri vrahuvanni spina vlasni stani kvantovomehanichnih sistem krashe harakterizuvati ne orbitalnim kvantovim chislom l a kvantovim chislom povnogo momentu j Energiya vlasnih staniv atoma vodnyu priblizno dorivnyuye E n j R n 2 1 a 2 n j 1 2 3 a 2 4 n 2 displaystyle E n j frac R n 2 left 1 frac alpha 2 n j 1 2 frac 3 alpha 2 4n 2 dots right nbsp de a e 2 ℏ c displaystyle alpha e 2 hbar c nbsp universalna stala yaka otrimala nazvu staloyi tonkoyi strukturi Stala tonkoyi strukturi mala velichina a 1 137 displaystyle alpha approx 1 137 nbsp a otzhe relyativistski popravki yaki proporcijni kvadratu staloyi tonkoyi strukturi ye duzhe malimi Odnak energetichni rivni z pevnim n rozsheplyuyutsya na kilka rivniv iz riznimi j Kozhen takij riven use she 2 2j 1 raziv virodzhenij Napriklad osnovnij stan maye l 0 j s 1 2 Cej stan poznachayetsya 1S1 2 Prim 3 Vin dvokratno virodzhenij i dva mozhlivi stani vidpovidayut riznim proyekciyam spina s z 1 2 displaystyle s z pm 1 2 nbsp Pershij zbudzhenij stan rozsheplyuyetsya na dva Stan 2P3 2 dlya yakogo j 3 2 l 1 Cej stan chotirikratno virodzhenij Stani 2S1 2 j 1 2 l 0 i 2P1 2 j 1 2 l 1 kozhen iz yakih tezh dvokratno virodzhenij Nadtonka struktura RedaguvatiNadtonka struktura vinikaye yaksho vrahuvati vzayemodiyu spina elektrona zi spinom yadra protona Dokladnishe Nadtonka strukturaOsnovnij energetichnij stan nejtralnogo atoma vodnyu rozsheplyuyetsya na dva blizki pidrivni verhnij zbudzhenij riven vidpovidaye paralelnim spinam yadra ta elektrona a nizhnij osnovnij antiparalelnim Perehid mizh nimi pov yazanij iz viprominyuvannyam abo poglinannyam kvanta z energiyeyu 5 874 33 µeV 1 sho vidpovidaye chastoti 1 420 405 751 7667 0 0009 Hz 2 dovzhini hvili u vakuumi 21 106 114 542 sm Cej perehid ye zaboronenim v elektrodipolnomu nablizhenni odnak vin dozvolenij u magnitodipolnomu nablizhenni shopravda iz nadzvichajno malim koeficiyentom 2 9 10 15 s 1 tobto serednij chas isnuvannya zbudzhenogo stanu stanovit blizko 11 miljoniv rokiv 3 Spontannij perehid u laboratornih umovah maye duzhe nizku intensivnist Ale v astronomichnih masshtabah zavdyaki poshirenosti atomarnogo vodnyu liniya dosit intensivna Vona lezhit u mikrohvilovomu diapazoni v yakomu zemna atmosfera majzhe prozora tomu yiyi mozhna sposterigati bezposeredno z poverhni Zemli Doslidzhennya liniyi v radioastronomiyi daye nadzvichajno vazhlivu informaciyu pro rozpodil nejtralnogo Gidrogenu v mizhzoryanomu seredovishi ta galaktikah 4 Detalnishi vidomosti z ciyeyi temi vi mozhete znajti v statti Radioliniya gidrogenu 21 sm Vimushene viprominyuvannya na liniyi 21 sm zastosovuyetsya dlya pobudovi gidrogenovogo mazera en kvantovogo generatora chastoti sho maye dosit visoku tochnist 10 13 5 Lembiv zsuv RedaguvatiNavedenij vishe opis optichnih perehodiv u atomi vodnyu ne vrahovuye kvantovoyi prirodi svitla Pri kvantovomehanichnomu rozglyadi fotoni opisuyutsya rivnyannyami analogichnimi rivnyannyu kvantovogo garmonichnogo oscilyatora Vazhlivim fizichnim naslidkom kvantovogo rozglyadu svitla ye isnuvannya nulovih kolivan navit u tomu vipadku koli kilkist fotoniv dorivnyuye nulyu Vzayemodiya kvantovomehanichnih sistem iz nulovimi kolivannyami prizvodit do spontannogo viprominyuvannya do nevelichkogo zsuvu polozhennya energetichnih rivniv i ye prichinoyu togo sho liniyi spektru ne ye neskinchenno tonkimi Dlya atoma vodnyu ce maye taki naslidki Atom ne mozhe isnuvati v zbudzhenomu stani neskinchenno dovgo Rano chi pizno vidbuvayetsya spontannij perehid do osnovnogo stanu z viprominyuvannyam fotona Kozhna spektralna liniya prirodno ushirena Rivni atoma vodnyu desho zmishuyutsya z polozhennya peredbachenogo formulami vishe Cej zsuv yakij otrimav nazvu Lembovogo riznij dlya riznih staniv Tak napriklad navit iz vrahuvannyam tonkogo rozsheplennya rivni 2S1 2 i 2P1 2 mayut odnakovu energiyu Odnak vrahuvannya vzayemodiyi z nulovimi kolivannyami elektromagnitnogo polya prizvodit do duzhe malogo rozsheplennya Velichina rozsheplennya dorivnyuye 1057 77 1 MGc Takim chinom atom vodnyu zbudzhenij u stan iz golovnim kvantovim chislom n 2 poglinaye radiochastotne viprominyuvannya zavdyaki perehodam mizh 2S1 2 i 2P1 2 rivnyami Dokladnishe Lembiv zsuvAtom vodnyu v magnitnomu poli RedaguvatiU zovnishnomu magnitnomu poli virodzheni energetichni rivni z riznimi magnitnimi kvantovimi chislami m rozsheplyuyutsya Ce rozsheplennya proporcijne prikladenomu polyu Vidpovidnim chinom rozsheplyuyutsya liniyi u spektrah viprominyuvannya ta poglinannya Detalnishi vidomosti z ciyeyi temi vi mozhete znajti v statti efekt Zeemana Atom vodnyu v elektrichnomu poli RedaguvatiAtom vodnyu yedina kvantovomehanichna sistema v yakij v slabkih elektrichnih polyah sposterigayetsya linijnij efekt Shtarka tobto spektralni termi rozsheplyuyutsya na komponenti j velichina rozsheplennya proporcijna elektrichnomu polyu Cej fakt zumovlenij virodzhennyam linij iz riznim znachennyam orbitalnogo kvantovogo chisla l Zovnishnye elektrichne pole chastkovo znimaye take virodzhennya Detalnishi vidomosti z ciyeyi temi vi mozhete znajti v statti efekt Shtarka Vodnepodibni seriyi rivniv RedaguvatiDetalnishi vidomosti z ciyeyi temi vi mozhete znajti v statti Vodnevopodibnij atom Vodnepodibni seriyi rivniv vinikayut v inshih zadachah kvantovoyi mehaniki Sered nih Izotopi vodnyu dejterij ta tritij mayut energetichni spektri yaki vidriznyayutsya vid spektra vodnyu lishe znachennyam zvedenoyi masi Retelne vivchennya optichnih perehodiv dozvolyaye pereviriti spravedlivist osnovnih formul Jon geliyu He ta jon litiyu Li2 tezh mayut po odnomu elektronu ale bilshij zaryad yadra Vivchayuchi optichni spektri cih joniv mozhna pereviriti zalezhnist polozhennya energetichnih rivniv vid velichini zaryadu Zv yazani z protonom myuoni Myuoni zagalom shozhi na elektroni ale mayut nabagato bilshu masu Zv yazavshis iz protonami voni utvoryuyut vodnepodibni atomi Vodnepodibni domishkovi rivni v napivprovidnikah Donori j akceptori v napivprovidnikah mayut zaryad yakij vidriznyayetsya na odiinicyu vid zaryadu susidnih atomiv Prote zavdyaki velikomu znachennyu dielektrichnoyi proniknosti elektroni chi dirki slabo prityagayutsya do cih atomiv Radiusi elektronnih orbit v napivprovidnikah zagalom prostyagayutsya na desyatki periodiv kristalichnoyi gratki Eksitoni Vanye Motta zv yazani stani elektrona j dirki v napivprovidnikah Mayut vodnepodibnu seriyu energetichnih staniv Div takozh RedaguvatiMolekula vodnyu AtomPrimitki Redaguvati Formuli na cij storinci zapisani v sistemi SGS SGSG Dlya peretvorennya v Mizhnarodnu sistemu velichin ISQ divis Pravila perevodu formul iz sistemi SGS v sistemu ISQ Ce virodzhennya ye harakternoyu osoblivistyu atoma vodnyu Dlya inshih atomiv rivni energiyi zalezhat yak vid osnovnogo kvatovogo chisla n tak i vid orbitalnogo kvantovogo chisla l Zalishayetsya lishe virodzhennya vidnosno magnitnogo kvantovogo chisla m i spinu Ce virodzhennya znimayetsya zovnishnim magnitnim polem Pro te yak poznachayutsya stani div stattyu Elektronni termi atomivDzherela Redaguvati The Hydrogen 21 cm Line Hyperphysics Georgia State University 30 zhovtnya 2004 Arhiv originalu za 29 lipnya 2018 Procitovano 20 veresnya 2008 a b Dupays Arnaud Beswick Alberto Lepetit Bruno Rizzo Carlo August 2003 Proton Zemach radius from measurements of the hyperfine splitting of hydrogen and muonic hydrogen Physical Review A 68 5 Bibcode 2003PhRvA 68e2503D arXiv quant ph 0308136 doi 10 1103 PhysRevA 68 052503 Arhiv originalu za 14 sichnya 2019 Procitovano 22 travnya 2019 a b Shklovskij I S 1949 Astronomicheskij zhurnal 26 10 a b Radioliniya vodnyu 21 sm Astronomichnij enciklopedichnij slovnik za zag red I A Klimishina ta A O Korsun Lviv Golov astronom observatoriya NAN Ukrayini Lviv nac un t im Ivana Franka 2003 S 392 ISBN 966 613 263 X a b Gajgerov B A i dr 1972 Kvantovaya mera chastoty na vodorodnom generatore Izmeritelnaya tehnika 11 Arhiv originalu za 16 lipnya 2019 Procitovano 22 veresnya 2017 Posilannya RedaguvatiBilij M U Ohrimenko B A Atomna fizika K Znannya 2009 559 s Yuhnovskij I R Osnovi kvantovoyi mehaniki K Libid 2002 392 s Landau L D Lifshic E M Kvantovaya mehanika Nerelyativistskaya teoriya Teoreticheskaya fizika M Fizmatlit 2008 T 3 800 s nbsp Cya stattya nalezhit do dobrih statej ukrayinskoyi Vikipediyi Otrimano z https uk wikipedia org w index php title Spektr atoma vodnyu amp oldid 37882140