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. m_p/m_е=1836 қатынасына сәйкес, ядролардың m_I магниттiк моменттерi m_Б 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.

(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 m_I магниттiк моментiн бiлу және электрондық қабықшаның ядро тұрған орында жасайтын магнит өрiсi Н_е 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)

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

F= çI-J ç АНТ деңгейшелерiнiң ара қашықтығы

а) J>I үшін dЕ_I+J,I-J=AI(2J+1);

б) I< J үшін dЕ_I+J,I-J=A J(2I+1) (7.10)

АНТ деңгейшелерiнiң жiктелу шамасы Н_е 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 m_I және H_e 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 DЕ_ls~10^-3-10^-4 эВ , ал атом деңгейлерiнiң энергиясы Е₀~ бiрнеше эВ болатындығын еске саламыз.

Мысал ретiнде 7.2-суретте натрий деңгейлерiнiң және резонанстық l₁=589,6, l₂=589,0 нм дублет сызықтарының (3²S_1/2-3²P_1/2,3/2) 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 2,217m_я. Дублеттiң екi құраушысына ортақ төменгi 3²S_1/2 деңгей аса нәзiк екi деңгейшеге (F=1 және 2) жiктеледi. 3²Р_1/2 деңгейi екi деңгейшеге (F=1, 2), ал 3²Р_3/2 деңгейi төрт деңгейшеге (F=0,1,2,3) жiктеледi. 3²S_1/2 деңгейiнiң жiктелу шамасы 0,095 см^-1. Жоғарғы деңгейлердiң жiктелуi көп кiшi: 3²Р_1/2 деңгейi үшін 0,006 см^-1 3²Р_1/2 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.

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

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.

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=m_pA деп ұйғарып, мұндағы m_p-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 H_b 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.

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

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.

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.