Студопедия

КАТЕГОРИИ:

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника



Спектрлiк сызықтардың аса нәзiк түзілiсi (АНТ).

магниттiк моментке ие атомдық ядро атомның электрондық қабықшасы атомдық ядро тұрған орында жасайтын магнит өрiсiмен әсерлеседi. Электрондық қабықшадағы электрондардың магниттiк моменттерiнiң әсерлесуi спектрлiк сызықтардың мультиплеттiк түзілiсiн туғызатыны сияқты, ядро мен атомның электрондық қабықшасы арасындағы магниттiк сипаттағы әсерлесуi нәтижесiнде қосымша энергия деңгейлерi пайда болады. Осының нәтижесiнде «электрондық» мультиплеттiң әрбiр құраушысы өз кезегiнде, бұдан да нәзiк құраушыларға жiктеледi. mp/mе=1836 қатынасына сәйкес, ядролардың mI магниттiк моменттерi mБ Бор магнетонынан шамамен сонша есе кiшi. Сондықтан деңгейлердiң «ядролық» (АН) жiктелуi мультиплеттiк жiктелуден ~103 есе кiшi болады. Бұл спектрлiк сызықтардың аса нәзiк (АН) жiктелуi.

Жiктелген деңгейшелер саны былай анықталады: I>J болған жағдайда (2J+1) әр түрлі АН деңгейше, I<J болғанда -(2I+1) әр түрлі АН деңгейше болады. Спиндерi I=0 барлық атомдардың деңгейлерi әрқашан дара болатындығын атап өту керек. Дәл осылай J=0 болатын барлық деңгейлер де дара болады. Егер ядро спинi I=1/2 болса, онда J>0 болатын барлық деңгейлер екi деңгейшеге жiктеледi. I>0 болатын ядролар үшін J кванттық саны J>1/2 барлық деңгейлерде дублеттiк болады.

және моменттерi қосылуының векторлық схемасы (7.1сурет) негiзiнде ядроның магниттiк моментiнiң электрондық қабықшаның магнит өрiсiмен әсерлесу энергиясына былай есептеу жүргізiледi. Атомның электрондық қабықшасы ядро орналасқан орында (уақыт бойынша орташа) жасайтын Не магнит өрiсiнiң бағыты электрондық қабықшаның қорытқы моментi бағытымен дәл келедi. меншiктi механикалық моментi (спиндiк момент) және mI магниттiк моментi бар ядро кеңiстiктiк квантталу ережелерiне сәйкес өрiс бағытына қатысты тек белгiлi бағыттар бойынша бағдарлана алады. Ядроның магниттiк моментiнiң электрондардың магнит өрiсiмен (электрондық қабықшаның) әсерлесуiне сәйкес қосымша энергия



(7.4)

мұндағы

(7.5)

F-ядро мен электрондық қабықшаның қосынды импульс моментiнiң кванттық саны, ол мына мәндердi қабылдайды:

F=J+I, J+I-1,..., çJ-Iê (7.6)

7.1-сурет

 

Демек, ядроның магниттiк моментiнiң электрондық қабықшаның магнит өрiсiмен әсерлесуiнiң қосымша энергия шамасы

(7.7)

(7.7) формуладан деңгейлердiң АН жiктелу шамасын анықтау үшін ядроның mI магниттiк моментiн бiлу және электрондық қабықшаның ядро тұрған орында жасайтын магнит өрiсi Не кернеулiк мәнiн есептеу керектiгi көрiнедi. Берiлген ядро түрі үшін және электрондық қабықшаның берiлген күйi үшін шамасы тұрақты болады да, (7.7) формула мына түрге келедi



(7.8)

Атомдағы деңгейлердiң жiктелу құрылымын бiлсек, онда таңдалып алынған қандай да бiр спектрлiк сызық жайында сандық деректердi тағайындауға болады. Деңгейшелер арасындағы кванттық ауысулар F кванттық саны үшін

DF=0, ±1 (7.9)

сұрыптау ережелерiн қанағаттандырады. Бұған сәйкес, ядроларының спинi I=0 атомдардың спектрлiк сызықтары әрқашан дара, яғни аса нәзiк түзілiс (АНТ) болмайды. Ядроларының спинi I>0, қалған барлық атомдар сызықтарының құрылымы күрделi, екi және одан артық құраушылардан тұрады. Сонымен спектрлiк сызықтардың АНТ бiр мәндi I және J екi кванттық сандарымен анықталады. Екi деңгей үшін бiрдей J мәнi үлкен болғанда, неғұрлым I спин үлкен болса, спектрлiк сызықтың АНТ соншалықты күрделi болады.

Жiктелудiң толық енi, немесе кванттық сандары F= I+J және

F= çI-J ç АНТ деңгейшелерiнiң ара қашықтығы

а) J>I үшін I+J,I-J=AI(2J+1);

б) I< J үшін I+J,I-J=A J(2I+1) (7.10)

АНТ деңгейшелерiнiң жiктелу шамасы Не магнит өрiсi кернеулiгiне пропорционал. өрiс кернеулiгi атомның электрондық конфигурациясына тәуелдi болатындықтан және элементтiң атомдық нөмiрi артқан сайын өсетiндiктен, ядролардың моменттерi бiрдей болғанда деңгейлердiң АН жiктелу енi ауыр элементтерде жеңiл элементтерге қарағанда едәуiр үлкен болады. Бiр элементтiң изотоптары үшін деңгейлердiң АНТ енi қатынасына пропорционал, өйткенi изотоптардың электрондық қабықшалары бiрдей болуы себептi мұндай изотоптар үшін магнит өрiсi кернеулiгi iс жүзінде бiрдей болады.

Егер ядроның магниттiк моментi оң таңбалы болса (бұл ядроның магниттiк және механикалық моменттерi бiр жаққа бағытталғандығын бiлдiредi), онда АНТ деңгейшелерi дұрыс орналасқан, яғни F-терi кiшi күйлер төмен болады. Керiсiнше, егер ядроның магниттiк моментi терiс (ядроның магниттiк және механикалық моменттерi әр жаққа бағытталған) болса, онда АНТ деңгейшелерi төңкерiлген, яғни F-терi кiшi кейбiр күйлер жоғары жатады.

s2p6 түріндегi түйықталған қабықшалар магнит өрiсiн туғызбайды, өйткенi бұлардың қосынды моментi нөлге тең. Сондықтан бұларға қатысты деңгейлер АН жiктелуге ұшырамайды. Сонымен, егер АНТ деңгейшелерiнiң саны I және J кванттық сан мәндерiмен анықталатын болса, онда жiктелу енi mI және He шамаларымен сипатталады.

АН жiктелу энергиясының реттiк шамасы атомның табиғатына байланысты dЕ~10-6-10-7 эВ болады. Сызықтардың нәзiк түзілiсiн анықтайтын спин-орбиталық әсерлесу энергиясы ls~10-3-10-4 эВ , ал атом деңгейлерiнiң энергиясы Е0~ бiрнеше эВ болатындығын еске саламыз.

Аса нәзiк жiктелу z ядро заряды өскенде, және де атомның иондану дәрежесi өскенде шамамен z za2-қа пропорционал өседi, мұндағы za-атомдық қалдық заряды. Егер жеңiл элементтерде аса нәзiк түзілiс өте тар спектрлiк интервалды қамтитын болса (см-1-дiң жүздік бөлiгi шамасындай), ал Hg, Tl, Pb, Bi cияқты ауыр элементтер үшін ол бейтарап атомдар жағдайында ~1 см-1 шамасына, иондар жағдайында бiрнеше см-1 шамасына жетедi.

Мысал ретiнде 7.2-суретте натрий деңгейлерiнiң және резонанстық l1=589,6, l2=589,0 нм дублет сызықтарының (32S1/2-32P1/2,3/2) аса нәзiк жiктелу схемасы кескiнделген.

 

7.2-сурет

 

Натрийдың (z=11) массалық саны А=23 жалғыз орнықты изотопы бар. ядросы тақ-жұп ядролар тобына жатады, спинi I=3/2. Ядроның магниттiк моментi 2,217mя. Дублеттiң екi құраушысына ортақ төменгi 32S1/2 деңгей аса нәзiк екi деңгейшеге (F=1 және 2) жiктеледi. 32Р1/2 деңгейi екi деңгейшеге (F=1, 2), ал 32Р3/2 деңгейi төрт деңгейшеге (F=0,1,2,3) жiктеледi. 32S1/2 деңгейiнiң жiктелу шамасы 0,095 см-1. Жоғарғы деңгейлердiң жiктелуi көп кiшi: 32Р1/2 деңгейi үшін 0,006 см-1 32Р1/2 деңгейiнiң толық жiктелуi 0,0035 см-1. АН жiктелу деңгейшелерi арасындағы рұқсат етiлген ауысулар дублет құраушыларының АН жiктелуiн туғызады: l1=589,6 нм-4 АН құраушыға, ал l2=589,0 нм-6 құраушыға жiктеледi. Осы АН жiктелу топтары центрлерiнiң ара қашықтығы Dl1=0,0020 нм, Dl2=0,0021 нм.

7.3.2. Спектрлiк сызықтардың изотоптық ығысуы. Бiр элементтiң әр түрлі изотоптарына тиесiлi (жататын) спектрлiк сызықтар бiрiнен-бiрi толқын ұзындықтар бойынша бiраз айырмашылығы болады. Спектрлiк сызықтардың изотоптық ығысуы деп аталатын осы құбылыс атомдағы электрондар энергиясының ядро массасы мен мөлшерiне тәуелдiлiгiмен түсіндiрiледi.

Спектрлiк сызықтардың экспериментте байқалатын жiктелу көрiнiсi жалпы жағдайда аса нәзiк түзілiс те, сызықтардың изотоптық ығысуын да туғызады. Бiрнеше орнықты изотоптары бар элементтердiң көпшiлiгiнiң спектрлiк сызықтарының күрделi изотоптық және аса нәзiк құрылымы болады. Мысал ретiнде 7.3-суретте сынаптың l1=546,1 нм (63Р2 - 73S1) сызығының құрылымы келтiрiлген. Табиғи сынаптың (z=80) жетi орнықты изотопы бар

 

массалық сан А
мөлшерi, % 0,16 10,0 16,8 23,1 13,2 29,8 6,8

7.3-сурет. Сынаптың Hg I l=546,074 сызығының аса нәзiк жiктелуi: а-жұп изотоптардың энергетикалық деңгейлер схемасы; б-тақ изотоп Hg199 үшін; в-тақ изотоп Hg201 үшін; г-сынаптың изотоптық құрылымы; д-жасыл сызықтың 15 құраушыдан тұратын түзілiсi.

Hg298, Hg200, Hg202, Hg204 жұп изотоптарының спиндерi нөлге тең; бұлар сызықтың ортасында орналасқан төрт интенсивтi құраушы бередi. Hg196 изотопының мөлшерi тым аз, сондықтан ол бақыланбайды. Hg199 изотопының спинi I=1/2, бұл үш аса нәзiк түзілiс құраушысын бередi (А, В, С). Hg201 изотоп спинi I=3/2, 8 құраушы бередi: a, b, c, d, f, g, h; с және е құраушылары бiрiнiң үстiне бiрi түседi. Сонымен, берiлген сызықта 14 құраушы бақыланады.

Kr86 изотоп-бiр изотопты жарық көзi-метрологияда маңызды роль атқарады. Kr86 l=605,61280 нм сызығының толқын ұзындығы қазiргi кезде ұзындықтың алғашқы эталоны ретiнде қабылданған.

Жеңiл элементтерде изотоптық ығысуды деңгейлер энергиясының ядро массасына тәуелдiлiгi туғызады (изотоптық ығысудағы массалық эффект). Массалардың ортақ центрiнен ядроның қозғалысын бiр электроны бар жүйелер-сутегi және сутегi тәрiздi иондар үшін өте оңай ескеруге болады. Осы жағдайда бұл Ридберг тұрақтысын мына шамаға

(7.11)

ауыстыруға тiреледi, мұндағы М-ядро массасы.

Массалары М1 және М2 изотоптардың энергия деңгейлерiнiң айырмасы мынаған тең:

(7.12)

Осы өрнектен ауырырақ изотоптың деңгейлерi жеңiлiрек изотоптың деңгейлерiне қатысты төмен ығысатындағы көрiнедi. Изотоптық ығысудың осылай ығысуы оң ығысу деп саналады.

(7.12) теңдiктен изотоптардың спектрлiк сызықтарының ығысу шамасы былай анықталады:

(7.13)

Ауыр изотоп сызықтары үлкен жиiлiктер жаққа ығысады, бұл сызықтардың ығысуының оң бағытына сәйкес келедi. А массалық санды енгiзiп, және М=mpA деп ұйғарып, мұндағы mp-протон массасы, былай жазуға болады

(7.14)

Деңгейлер мен сызықтардың изотоптық ығысуы массалық сан өскенде шамамен 1/A2 пропорционал тез кемидi. Ығысулардың максимум шамасы сутегiнде орын алады, мұнда сутегi мен дейтерийдiң Hb сызықтарының ығысуы 5,6 см-1 құрайды. Элементтердiң периодтық жүйесiнiң орталық бөлiгiнде (А~100) спектрдiң көрiнетiн аймағындағы сызықтардың ығысулары реттiк шамасы бойынша 0,001 см-1, бұл эксперименттiк бақылау мүмкіндiгi шекарасында болады.

Қалыпты массалық эффект деп аталатын қарастырылған қарапайым көрiнiс екi және одан көп электроны бар атомдар үшін массалық ығысудың реттiк шамасын дәл көрсеткенiмен экспериментпен дәл келетiн сандық нәтижелер бермейдi. Бiрнеше электрон болған жағдайда бұлардың қозғалысының өзара байланысын ескеру қажет. Мәселен, екi электронды атомда ядроның қозғалыс сипаты елеулi түрде екi электронның қозғалысы бiр бағытта басым бола ма, әлде әр түрлі бағыттарда басым бола ма, осыған тәуелдi болады. Бұл массалық ығысуды арттыруы да, кемiтуi де мүмкін қосымша ерекше массалық ығысуды тудырады. Айрықша ығысудың шамасы мен таңбасы терм сипатына тәуелдi. Ол қалыпты ығысу сияқты 1/А2-қа пропорционал өзгередi.

Периодтық жүйенiң орталық бөлiгiнде изотоптық ығысулар өте-мөте аз. Элементтердiң реттiк нөмiрi бұдан әрi өскенде арта бастайды да, ауыр элементтерде едәуiр шамаға жетедi. Ауыр элементтер үшін ығысулардың терiс бағыты тән.

Периодтық жүйенiң төменгi бөлiгiндегi массалық сандары шамамен А~140-тан басталатын элементтердiң изотоптық ығысуы атомдардың энергетикалық деңгейлерiне ядроның шектелген көлемiнiң ықпалы себепшi болады (изотоптық ығысудағы көлемдiк эффект). Көлемдiк эффектi түсіндiру үшін электронның ядро өрiсiндегi потенциалдық энергия қисығы кескiнделген 7.4-суретке жүгінейiк.

 

 

7.4-сурет. Электронның потенциалдық энергиясы қисықтары: 1-нүктелiк ядро; 2,3-радиустары R2, R3 мөлшерi шектелген ядролар үшін

 

Нүктелiк ядро үшін (1 қисық) электронның потенциалдық энергиясы - (кулондық потенциал). Z дәл сондай мөлшерi шектеулi ядролар iшiндегi потенциал кулондықтан өзгеше болады, және ядро радиусы неғұрлым үлкен болса, соғұрлым айырмашылық та үлкен болады. Ядросының радиусы үлкенiрек изотоп деңгейлерi жоғарырақ орналасатын болады. Ядроның тамшылық моделiне сәйкес оның радиусы А массалық санның өсуiмен мына заңға сәйкес өседi, мұндағы R0»1,2×10-15м. Демек, көлемдiк эффект массалықтан өзгеше деңгейлердiң терiс ығысуларын туғызады. Деңгейлердiң көлемдiк ығысуына ең үлкен үлестi атомның ядросы iшiне ену ықтималдығы ең үлкен s-электрондар қосады.

Жоғарғы және төменгi деңгейлердiң ығысулары айырмасына тең спектрлiк сызықтың тәжiрибеде өлшенетiн ығысуы деңгейлер ығысуының салыстырмалы шамасына байланысты бағыты әр түрлі болуы мүмкін. Көбiнесе төменгi деңгей көбiрек ығысады да, нәтижесiнде сызықтың ығысу бағыты терiс болады.

Сызықтардың ығысуында оптикалық электрон себепшi болатын деңгейлер ығысуының тек бiр бөлiгi бiлiнедi. Атомдық қалдық электрондарымен байланысты деңгейлер ығысуы оптикалық электрон кванттық ауысулар жасағанда өзгерiссiз қалады, сондықтан экспериментте тiркелуi мүмкін емес. Осыған сүйенiп сызықтардың бақыланған ығысуынан деңгейлердiң ығысуын есептеген кезде оны әдетте нөлге тең деп ұйғарады.

Оптикалық спектрдегi изотоптық ығысуларды зерттеу атомдық ядролардың құрылысы жайындағы мәлiмет көзi ретiнде маңызы зор табиғи және жасанды қоспалардағы изотоптардың сандық мөлшерiн анықтау үшін изотоптық спектрлiк талдауда қолданылады.

Спектрлiк сызықтардың АНТ зерттеулер ядролық механикалық және магниттiк моменттерiн анықтауға мүмкіндiк бередi.

7.3.3.Таллий ядросы спинiн анықтау. Ядро спинi мәнiн АНТ құраушылары саны бойынша тiкелей анықтаудың мысалына таллийдың (81Tl203 және 81Tl205) ядролық моментiн TlI 535,046 нм сызықтың құрылымы бойынша есептеу жатады. TlI деңгейлерi жiктелуiнiң толық көрiнiсi 7.5-суретте келтiрiлген. Таллийдың екi изотопы бар: 81Tl203 және 81Tl205, бұлардың табиғи қоспасындағы мөлшерлерi: 81Tl203-29,50%, 81Tl205-70,50%. Таллий изотоптарының екеуiнiң де сызықтары изотоптық ығысуға ұшырайды: dl1=1,8×10-3 және dl2=1,6×10-3нм. Изотоптың екеуiнiң де ядро спинi I=1/2. Жiктелу схемасы бойынша 6s2 7s 2S1/2 деңгейiнен 6s2 6p 2P3/2 деңгейiне ауысқанда пайда болатын TlI 535,046 нм сызық үш АН жiктелу құраушыдан тұрады деп күту керек, өйткенi 2S1/2 және 2P3/2 деңгейлерi екi-екi деңгейшелерден тұрады: 2S1/2 деңгейi екi деңгейшеден тұрады, деңгейшелердiң ара қашықтығы , ал 2P3/2 деңгейi де екi деңгейшеге жiктеледi. 2P3/2 деңгейi АН құраушыларының ара қашықтығы тым кiшкентай, сондықтан спектроскопиялық экспериментте әрбiр изотоп үшін жеке АН жiктелудiң dl=1,12×10-2 нм қашықтықта орналасқан тек екi құраушы байқалады. Жiктелу құраушыларының саны бойынша таллий ядросының спинi I=1/2 болатындығы көрiнедi, өйткенi J=1/2 болғанда, жiктелу құраушыларының саны 2I+1=2 болады.

Сонымен, Tl I 535,046 нм сызығының АН құраушыларының жалпы саны 4-ке тең. А және В құраушылары көбiрек тараған Tl205 изотопына, ал а және в құраушылары сиректеу кездесетiн Tl205 изотопына тиесiлi.

 


Дата добавления: 2014-10-31; просмотров: 59; Нарушение авторских прав


<== предыдущая лекция | следующая лекция ==>
Теориялық кiрiспе. Ажыратқыштық қабілеті аса жоғары құралдар арқылы элемент атомдарының спектрлiк сызықтарын зерттегенде | Жұмыстың орындалу ретi. 1. Жұмыстың мазмұнымен, ұсынылған әдебиетпен және қондырғының оптикалық схемасымен танысу.
lektsii.com - Лекции.Ком - 2014-2018 год. (0.019 сек.) Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав
Главная страница Случайная страница Контакты