Законы формирования спектров атомов и ионов

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЗАКОНЫ ФОРМИРОВАНИЯ СПЕКТРОВ АТОМОВ И ИОНОВ

Канарёв Ф.М.

Анонс

Спектры атомов и ионов - самый большой массив экспериментальной информации об обитателях микромира, но человек научился использовать лишь мизерную часть этой информации.

Известно, что идея орбитального движения электронов в атомах родилась из постулата Бора [1].

. (1)

Потом Луи - Де - Бройль ввёл ещё один постулат, согласно которому на каждой орбите укладывается целое число длин волн электрона.

. (2)

Учитывая, что и и подставляя эти данные в формулу (2), получаем постулированное соотношение Нильса Бора (1). Из формулы (2) следует явное противоречие: на первой орбите (n=1) длина волны электрона равна длине орбиты . Так как из постулата (1) Бора следует формула для расчета спектра атома водорода при переходе электрона с орбиты на орбиту , то указанное противоречие было проигнорировано.

. (3)

Выражение перед скобками в формуле (3) - постоянная Бальмера-Ридберга. Считается, что она равна энергии ионизации атома водорода. Однако, если в эту формулу подставить энергию ионизации первого электрона атома гелия, то полученный теоретический результат будет далёк от экспериментального [1]. Вместо того, чтобы искать причины возникшей трудности, теоретики-спектроскописты начали плодить приближённые методы расчётов спектров атомов и ионов, из которых невозможно было понять физическую суть процесса формирования спектров и принцип взаимодействия электронов с протонами ядер атомов [1]. Классической, в этом отношении, является книга Никитин А.А. Рудзикас З.Б. Основы теории спектров атомов и ионов. М.: Наука. 1983 [2]. В ней нет ни единого достойного примера расчёта спектров.

Чтобы легче формировались новые представления о взаимодействии электронов с протонами ядер, заменим понятие “орбита” понятием “энергетический уровень” и будем представлять эти уровни, как дискретные расстояния в атомах между протонами ядер и электронами.

атом спектр электрон протон

1. Расчёт спектра атома водорода

Известно, что энергия ионизации атома водорода равна 13,60eV. Это - энергия связи его протона с электроном в момент пребывания его на первом энергетическом уровне. Из справочников по спектрам атомов и ионов следует, что при поглощении фотона с энергий 10,20 eV электрон атома водорода переходит на второй энергетический уровень и его энергия связи с протоном уменьшается до 3,40eV [3], [4]. Но этот - абсурдный результат был проигнорирован. Чтобы устранить эту абсурдность, теоретики переписали указанную формулу так

(4)

и объяснили свои действия тем, что появившиеся минусы - результат отрицательности заряда электрона. Поскольку энергии фотонов, 13,60eV, 10,20eV и 3,40eV - произведения их масс на квадрат скорости света, то они - величины положительные. В результате отрицательность заряда электрона не может служить основанием для введения в формулу (4) минусов.

Истинная причина появления минусов в формуле (4) заключается в том, что все энергии, представленные в этой формуле, - лишь части общей энергии электрона , из которой надо вычитать энергии фотонов (13, 60eV и 3,40eV) и формула (4) становится такой

(5)

Сокращая слева и с права полную энергию электрона, получим формулу (4) с законным присутствием в ней минусов, которые теперь проясняют её физический смысл, отсутствующий во всех приближённых формулах для расчёта спектров. Он заключается в том, что начальным энергетическим уровнем любого электрона в любом атоме является первый энергетический уровень. Электрон оказывается на нём, в результате излучения серии фотонов при охлаждении. При повышении температуры электрон начинает поглощать фотоны и переходить на более высокие энергетические уровни, номера которых увеличиваются.

Из спектра излучения Вселенной, где 73% водорода, 24% гелия и 3% всех остальных химических элементов, следует, что атом водорода начинает формироваться со 108-го энергетического уровня. Электрон атома водорода, приближаясь ступенчато к протону, формирует максимум излучения Вселенной [1], [5].

Если электрон, находясь на первом энергетическом уровне атома водорода, поглощает фотоны с энергиями или , то он переходит на 3-й и 4-й энергетические уровни, соответственно. В результате имеем:

, (6)

(7)

Из представленной последовательности изменения энергий электрона и фотонов, поглощаемых им при энергетических переходах, в момент удаления от протона, имеем такую математическую модель закона формирования спектра атома водорода [1], [5]

, (8)

где: - энергия поглощенного или излученного фотона; - энергия ионизации, равная энергии такого фотона, после поглощения которого электрон теряет связь с протоном и становится свободным; - энергия связи электрона с протоном атома, соответствующая первому энергетическому уровню, также равна энергии фотона.

Подставляя в формулу (8) энергию ионизации атома водорода, равную энергии связи его электрона с протоном в момент пребывания электрона на первом энергетическом уровне , имеем спектр этого атома (табл. 1).

Таблица 1. Спектр атома водорода

Нетрудно видеть, что формула (8) приводится к виду

. (9)

В конечном выражении формулы (9) представлены лишь частоты излучаемых и поглощаемых фотонов и нет орбитальной энергии электрона. Это значит, что он взаимодействует с протоном не орбитально, а линейно. Из известных моделей электрона и протона (рис. 1) следует гипотеза: разноименные электрические заряды электрона и протона сближают их при формировании атома водорода, а одноимённые магнитные полюса электрона и протона - ограничивают их сближение [1].

Рис. 1. Модели электрона и протона

Из математической модели (8) закона формирования спектра атома водорода следует, что энергия связи электрона с протоном изменяется по закону

. (10)

При этом, в атоме водорода энергия связи электрона с протоном атома, соответствующая первому энергетическому уровню, равна энергии его ионизации . Нетрудно видеть, что из закона формирования спектра атома водорода (8) следует закон формирования его спектра при межуровневых переходах электрона

(11)

Новая формула (11) отличается от аналогичной боровской формулы (3) тем, что в ней перед скобками стоит энергия связи электрона с протоном в момент пребывания электрона на первом энергетическом уровне, а в формуле Бора (3) перед скобками - постоянная Бальмера - Ридберга.

Итак, из математической модели (8) формирования спектра атома водорода следует, что его электрон взаимодействует с протоном не орбитально, а линейно (рис. 2 и 3). Если формула (8) - закон формирования спектров атомов и ионов, то с её помощью должен рассчитываться спектр атома гелия, на котором споткнулись теоретики-спектроскописты. Отметим попутно, что поиск ответа на поставленный вопрос длился у нас более года. Вот как он был найден.

2. Расчёт спектра атома гелия

Для этого были выписаны из справочника энергии возбуждения первого электрона атома гелия, соответствующие стационарным энергетическим уровням [3], [4]. Напомним, что энергии связи первого электрона атома гелия с ядром атома определяются, как разности между энергией ионизации и энергиями возбуждения , равными энергиям поглощаемых или излучаемых фотонов (табл. 2, колонка 2).

Таблица 2. Энергетические показатели стационарных энергетических уровней первого электрона атома гелия

Обратим внимание на то, что в справочниках [3] и [4] нет экспериментальной величины энергии связи (табл. - 2, вторая колонка) первого электрона атома гелия с протоном ядра, а новая теория спектров позволяет вычислять энергии связи при известной экспериментальной энергии ионизации и энергии возбуждения, равной энергии поглощённого фотона , eV (табл. 2, вторая колонка).

Отметим, что в справочниках [3] и [4] экспериментальные значения энергий ионизации определены с точностью до третьего знака, а энергии возбуждения стационарных энергетических уровней - до второго. Составители справочников отмечают, что значение второго знака энергий возбуждения отличаются у разных авторов на , а в ряде случаев и более.

Следовательно, для выявления эмпирического закона, формирующего серию энергий возбуждения стационарных энергетических уровней первого электрона атома гелия, надо округлить результаты вычислений энергий связи до второго знака после запятой.

И это не все, что нужно учитывать при анализе экспериментальных данных. Обратим внимание на такую запись в справочнике [3]: “Наряду с экспериментально измеренными длинами волн в предлагаемых таблицах есть такие линии, длины волн которых рассчитаны по энергетическим уровням с учетом правил отбора. Это или до сих пор не обнаруженные линии тонкой структуры, или слабые, грубо измеренные спектральные линии. Законность такого расчета не вызывает сомнений, так как энергетические уровни устанавливаются по надёжно измеренным линиям с использованием вторичных стандартов”.

Нам трудно согласиться с таким методом экспериментаторов. Взять, например, энергию возбуждения 23,01eV (табл. 2), соответствующую четвертому стационарному энергетическому уровню. В справочнике [3] её вообще нет, а в справочнике [4] она приводится без указания яркости линии, то есть как очень слабая или ненаблюдаемая. Как нам поступить в этом случае? Правильнее будет исключить её пока из рассмотрения при поиске закономерности формирования энергий возбуждения, соответствующих стационарным энергетическим уровням. В аналогичном положении находится и энергия возбуждения, равная 20,96eV. Поэтому исключим и её из рассмотрения.

Сразу же обратим внимание на то, что энергии связи первого электрона атома гелия, приведенные в табл. 3, рассчитаны по закону (10). Для этого была взята энергия 3,37eV, соответствующая в табл. 3 энергии возбуждения 21,22eV, и умножена на 4.

Таблица 3. Энергии связи первого электрона атома гелия с его ядром

Полученное число оказалось энергией связи, соответствующей первому энергетическому уровню первого электрона атома гелия. Конечно, это фиктивная энергия, но образовавшийся при этом ряд энергий (табл. 3, последняя колонка) полностью совпадает с рядом энергий, соответствующих экспериментальным значениям (табл. 3, колонка 3), подтверждая правомочность исключения энергий возбуждения 20,96eV и 23,01eV из этого ряда (табл. 3, колонка 2). Полученный результат показывает, что энергия связи первого электрона атома гелия, соответствующая первому энергетическому уровню , не равна энергии ионизации этого электрона . Почему? Это центральный вопрос, подробный ответ на который - в анализе процесса формирования атома гелия [1].

Невольно возникает вопрос: почему у второго электрона атома гелия значения энергий ионизации и связи с ядром, соответствующей первому энергетическому уровню, совпадают (), а у первого - нет (и )? Ответ на этот вопрос получен при анализе структуры атома гелия [1].

Если формула (8) действительно является законом формирования спектров атомов и ионов, то с её помощью мы должны получить экспериментальные значения энергий возбуждения . Подставляя в формулы (8) и (10) и , имеем (табл. 4).

Таблица 4. Спектр первого электрона атома гелия

Полное совпадение экспериментальных и теоретических значений энергий возбуждения - убедительное доказательство достоверности математической модели (8) - закона формирования спектров атомов и ионов.

В табл. 5 представлены энергии связи с протонами электрона атома водорода и двух других электронов и атома гелия.

Таблица 5. Энергии связи электрона атома водорода , первого и второго электронов атома гелия с протонами ядер

Обратим внимание на то, что энергии связи обоих электронов атома гелия (табл. 5), соответствующие первому энергетическому уровню (), рассчитываются по формуле

(12)

где - энергия ионизации атома водорода; - номер электрона в атоме, соответствующий номеру потенциала его ионизации.

Тогда формула для расчета энергии связи любого электрона атома гелия, соответствующей любому энергетическому уровню, будет такой

. (13)

Совпадение результатов расчетов по этой формуле с экспериментальными результатами, представленными в табл. 5, доказывает правильность такого направления исследований.

Как видно (табл. 5), электрон атома водорода и первый электрон атома гелия имеют практически одинаковые энергии связи с ядрами атомов на одноимённых энергетических уровнях. Энергия связи второго электрона атома гелия с его ядром, соответствующая первому энергетическому уровню, в четыре раза больше соответствующей энергии связи атома водорода, поэтому все другие значения энергий связи этого электрона, равные соответствующим энергиям связи первого электрона атома гелия и электрона атома водорода, сдвинуты вправо. Например, электрон атома водорода и первый электрон атома гелия имеют одинаковые энергии связи с ядром (0,85 eV), начиная с 4-х энергетических уровней, а второй электрон атома гелия подчиняется этому закону, начиная с 8-го энергетического уровня.

3. Расчёт спектра атома лития

В атоме лития три электрона. Рассчитаем спектр его первого электрона. Энергия его ионизации , а ряд энергий возбуждения, соответствующий стационарным энергетическим уровням, такой [3]: 3,83; 4,52; 4,84; 5,01; 5,11; 5,18; 5,22; 5,25; 5,28; 5,30; 5,31; eV. Результат расчёта по формуле (8) - в табл. 6.

Таблица 6. Спектр первого электрона атома лития

Энергия ионизации второго электрона атома лития равна . Необходимо найти энергию связи второго электрона атома лития, соответствующую второму энергетическому уровню. Для этого выпишем из справочника ряд экспериментальных значений энергий возбуждения, соответствующих стационарным энергетическим уровням этого электрона [4]: 62,41; 69,65; 72,26; 73,48;…eV.

Так как второй электрон атома лития не может занимать первый энергетический уровень, то первая энергия возбуждения 62,41eV в ряду энергий возбуждения, соответствующих стационарным энергетическим уровням, должна принадлежать второму энергетическому уровню этого электрона. Далее, найдем разность между энергией ионизации этого электрона и энергией возбуждения, соответствующей второму энергетическому уровню .

. (14)

Теперь умножим полученную разность на квадрат главного квантового числа, соответствующего второму энергетическому уровню: Полученный результат будет соответствовать энергии связи второго электрона атома лития с ядром атома в момент пребывания его на первом энергетическом уровне [1].

Итак, энергия ионизации второго электрона атома лития не равна энергии его связи с ядром атома, соответствующей первому энергетическому уровню. Подставляя эти данные в формулы (8) и (10), получим полное совпадение теоретического результата с экспериментальным (табл. 7).

Таблица 7. Спектр второго электрона атома лития

Результаты расчёта спектра 3-го электрона водородоподобного атома лития включим в обобщённую таблицу 8, аналогичную таблице 5 атома гелия.

Таблица 8. Энергии связи электрона атома водорода и первого, второго и третьего электронов атома лития с ядром

4. Расчет спектра атома бериллия

Первый электрон атома бериллия имеет энергию ионизации и следующий ряд энергий возбуждения [3]: 2,73; 5,28; 7,46; 8,31; 8,69 eV. Отметим, что в справочнике [4] нет энергии 2,73 eV, а в справочнике [3] она приведена без указания её яркости. Это даёт нам основание исключить её из рассмотрения. Тогда разность энергий будет равна , а энергия, соответствующая первому фиктивному энергетическому уровню, окажется такой . Подставляя и в формулы (8) и (10), найдем (табл. 9).

Таблица 9. Спектр первого электрона атома бериллия

Примечание: экспериментальные значения энергий возбуждения, соответствующие 6-му, 7-му и 8-му энергетическим уровням взяты из справочника [4].

Второй электрон атома бериллия имеет энергию ионизации и следующий ряд энергий возбуждения, соответствующих стационарным энергетическим уровням [3]: 3,96; 11,96; 14,7; 15,99; 16,67; 17,08 eV. Обратим внимание на то, что величина энергии 3,96eV явно выходит за пределы предполагаемой нами закономерности формирования энергий возбуждения. В справочнике [4] эта спектральная линия значится яркой, поэтому у нас нет оснований исключать её из рассмотрения. У нас остается одна возможность - предположить, что второй электрон атома бериллия может иметь два положения в атоме и связано это со структурой его ядра, которая детально проанализирована в монографии [1]. Из анализа следует, что энергия возбуждения 3,96eV и оставшиеся энергии 11,96; 14,7; 15,99; 16,67; 17,08 eV соответствуют разным положениям второго электрона в атоме, поэтому мы попытаемся получить теоретически только ряд 11,96; 14,7; 15,99; 16,67; 17,08 eV. Для этого найдем разность между энергией ионизации и энергией 11,96eV. (рис. 3).

Тогда энергия связи второго электрона атома бериллия, соответствующая первому фиктивному энергетическому уровню, окажется такой: . Подставляя эту величину и энергию ионизации в формулы (8) и (10), найдем (табл. 10).

Таблица 10. Спектр второго электрона атома бериллия

Теория предсказывает (табл. 10) существование энергии возбуждения 4,15eV, соответствующей второму энергетическому уровню, но это, по - видимому, фиктивная величина энергии, поэтому она не фиксируется в эксперименте.

Энергия ионизации третьего электрона атома бериллия равна . Энергии возбуждения этого электрона, соответствующие стационарным энергетическим уровням, составляют следующий ряд [3]: 123,67; 140,39; 146,28; 149,01; 150,50; 151,40 eV. Разность между энергией ионизации и значением первой энергии в этом ряду будет равна

. (15)

Энергия связи третьего электрона с ядром атома, соответствующая первому энергетическому уровню, определится так

. (16)

Подставляя значения и в формулы (8) и (10), найдем (табл. 11).

Таблица 11. Спектр третьего электрона атома бериллия

Спектр четвёртого электрона водородоподобного атома бериллия также рассчитывается по формуле (8). Представим результат его расчёта в обобщённой таблице 12.

Таблица 12. Энергии связи электрона атома водорода и электронов (1, 2, 3, 4) атома бериллия с ядром в момент, когда все они находятся в атоме

Таким образом, когда все электроны находятся в атоме бериллия, то, взаимодействуя друг с другом, они мешают экспериментаторам зафиксировать их истинные энергии связи с ядрами (рис. 3). По мере перехода на более высокие энергетические уровни они удаляются от ядра атома и друг от друга, и их взаимодействие ослабевает. В результате, как это видно в табл. 12, энергии связи с ядром на высоких энергетических уровнях у них принимают почти одинаковые значения. Из этого следует, что у нас есть основания представить табл. 9, 10 и 11) в таком виде (табл. 12).

Данные табл. 12 показывают, что, начиная с 13 энергетического уровня, энергии связи всех электронов атома бериллия с ядром оказываются такими же, как и у электрона атома водорода. Это значит, что при удалении электронов от ядра атома (рис. 3) их взаимное влияние друг на друга почти исчезает, и они начинают вести себя так же, как и электрон атома водорода (рис. 2).

Таким образом, когда все электроны любого атома находятся в атоме, то, взаимодействуя каждый со своим протоном в ядре, они формируют спектры, подобные спектру атома водорода. Но это невозможно доказать прямым экспериментом, а косвенное доказательство существует. Оно заключается в том, что зависимости излучения абсолютно черного тела не зависят от материала черного тела, то есть от атомов химического элемента, из которого изготовлена полость чёрного тела [1].

Экспериментальное доказательство линейного взаимодействия электронов с протонами ядер атомов получили европейские исследователи [8], [9]. На рис. 4, а и b - фотографии кластера графена и бензола с заострёнными выступами по внешнему контуру - атомами водорода (рис. 2, а) в молекулах бензола (рис. 4, b и d). На рис. 4, е, ж и k показано линейное взаимодействие валентных электронов.

Рис. 4. а) и b) - фото кластеров графена и бензола; с) и d) теоретические структуры атома углерода и молекулы бензола; е) фото молекулы углерода ; ж) фото атома углерода ; k) связи валентных электронов атома углерода

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Закон формирования спектров атомов и ионов открыт в России в 1993г. [1]. Экспериментально доказательство линейного взаимодействия электронов с протонами ядер, следующее из этого закона, получено европейскими исследователями в 2011г. [8], [9].

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Канарёв Ф.М. Монография микромира.

http://www.micro-world.su/index.php/2010-12-22-11-45-21/663-2012-08-19-17-07-36

2. Никитин А.А. Рудзикас З.Б. Основы теории спектров атомов и ионов.

М.: Наука. 1983.

3. Стриганов А.Р., Одинцова Г.А. Таблицы спектральных линий. М.: Наука. 1977.

4. Зайдель А.Н. и др. Таблицы спектральных линий. М. Наука.1977.

5. Канарёв Ф.М. Ответы на вопросы новой теории микромира.

http://www.micro-world.su/index.php/2010-12-22-11-47-30/968-2013-09-01-11-28-07

6. Канарёв Ф.М., Мыльников В.В. Разрешающая способность русской теории микромира. http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/12487.html

7. Мыльников В.В. Видео - микромир.

http://www.micro-world.su/index.php/2012-01-27-15-57-34

8. Интернет. Учёные, впервые запечатлевшие анатомию молекул и кластеров. http://www.membrana.ru/particle/14065

9. Ученым из IBM Research удалось. IBM stores binary data on just 12 atoms

Размещено на Allbest.ru