Êâàíòîâàÿ Ìàãèÿ, òîì 10, âûï. 1, ñòð. 1182-1186, 2013

Íîâîå î ñïåêòðàëüíîì àíàëèçå

Ñ.Ï. Êàðàâàåâ, Â.Â. Ôîêèí

 

(Ïîëó÷åíà 28 îêòÿáðÿ 2012; îïóáëèêîâàíà 15 ÿíâàðÿ 2013)

 

 äàííîé ñòàòüå àâòîðàìè ðàññìîòðåí âîïðîñ î ñïåêòðàëüíûõ ëèíèÿõ âîäîðîäà, âûðàæåííûõ â öåëûõ ÷èñëàõ. Íàéäåíà îðèãèíàëüíàÿ ôîðìóëà äëÿ ðàñ÷åòà äëèí âîëí âîäîðîäíîé ñåðèè. Ñäåëàí âûâîä, ÷òî âñå äëèíû âîëí ñïåêòðà âîäîðîäà ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé ëèáî öåëûå ÷èñëà, ëèáî îòíîøåíèå öåëûõ ÷èñåë ê öåëûì, ÷òî ïîäòâåðæäàåò òåîðèþ Ëóè äå Áðîéëÿ î «Çàêîíå ôàçîâîé ãàðìîíèè».

 

Íàðîäíàÿ ìóäðîñòü ãëàñèò «Íîâîå – ýòî õîðîøî çàáûòîå ñòàðîå». ×òîáû ïîíÿòü áîëåå ãëóáîêî ôîðìèðîâàíèå ñïåêòðàëüíûõ ëèíèé àòîìîâ ýëåìåíòîâ, âñïîìíèì, êàê çàðîæäàëèñü ïðèíöèïû àíàëèçà ñïåêòðîâ àòîìîâ.

            Âïåðâûå ëèíèè â ñïåêòðå âîäîðîäà íàáëþäàë è ïîäðîáíî îïèñàë íåìåöêèé ôèçèê È. Ôðàóíãîôåð. Âíà÷àëå Ôðàóíãîôåð îáíàðóæèë âñåãî 4 ëèíèè, êîòîðûå âïîñëåäñòâèè ñòàëè íàçûâàòüñÿ ôðàóíãîôåðîâûìè òåìíûìè ëèíèÿìè ïîãëîùåíèÿ â ñîëíå÷íîì ñïåêòðå   , ,  è

             1885 ãîäó È. Áàëüìåð âíèìàòåëüíî ïðîàíàëèçèðîâàë ñíèìêè, ïîëó÷åííûå Ôðàóíãîôåðîì, è çàìåòèë ñëåäóþùåå. Åñëè ââåñòè íåêîòîðîå  (êàê åãî íàçâàë Áàëüìåð – îñíîâíîå) ÷èñëî k = 3645 Å, òî äëèíû âîëí ëèíèé , ,  è ìîãóò áûòü âûðàæåíû ñëåäóþùèì îáðàçîì:

            Óìíîæèâ íà 4 ÷èñëèòåëè è çíàìåíàòåëè â äðîáÿõ 4/3 è 9/8,

Áàëüìåð ïîëó÷èë çàêîíîìåðíîñòü: ÷èñëèòåëè â âûðàæåíèÿõ äëèí âîëí âñåõ ëèíèé ìîæíî ïðåäñòàâèòü êàê ïîñëåäîâàòåëüíîñòü êâàäðàòîâ ÷èñåë – 32, 42, 52, 62, à çíàìåíàòåëè – êàê ïîñëåäîâàòåëüíîñòè ðàçíîñòåé êâàäðàòîâ – 32-22, 42-22, 52-22, 62-22.

Äàëåå Áàëüìåðó óäàëîñü çàïèñàòü îäíó ôîðìóëó äëÿ äëèí âîëí ÷åòûðåõ ëèíèé:

ãäå   n = 3, 4, 5 è 6 ñîîòâåòñòâåííî äëÿ ëèíèé , ,  è

             1890 ãîäó  øâåäñêèé ôèçèê-ñïåêòðîñêîïèñò Ðèäáåðã çàïèñàë ôîðìóëó Áàëüìåðà â «ïåðåâåðíóòîì âèäå» äëÿ âåëè÷èíû   N = 1/ . Âåëè÷èíà N íàçûâàåòñÿ âîëíîâûì ÷èñëîì è ïîêàçûâàåò, êàêîå ÷èñëî äèí âîëí â âàêóóìå óêëàäûâàåòñÿ íà åäèíè÷íîé äëèíå. «Ïåðåâåðòûâàÿ» ôîðìóëó Áàëüìåðà, Ðèäáåðã ïîëó÷èë äëÿ âîëíîâîãî ÷èñëà N ôîðìóëó:

ãäå âåëè÷èíà 4/k âîøëà â ôèçèêó óæå êàê «ïîñòîÿííàÿ Ðèäáåðãà» è îáîçíà÷àåòñÿ áóêâîé R. Ôîðìóëà Áàëüìåðà (1) îêàçàëàñü çàáûòà. [1]

             íàñòîÿùåå âðåìÿ ñïåêòðîñêîïèÿ óøëà äàëåêî âïåðåä. Òîëüêî ñïåêòðàëüíûõ ëèíèé  âîäîðîäà îáíàðóæåíî áîëåå ñîòíè.  Òàê æå çà ýòî âðåìÿ âîçðîñëî êà÷åñòâî è òî÷íîñòü ñïåêòðîìåòðîâ, è ðàñ÷åòíûå âåëè÷èíû äëèí âîëí , ,  è , ïðåäëîæåííûå Áàëüìåðîì, ñòàëè íåìíîãî îòëè÷àòüñÿ â ìåíüøóþ ñòîðîíó îò ýêñïåðèìåíòàëüíûõ:

, ,  è . Íî çàêîíîìåðíîñòü îñòàëàñü. ×òîáû èñêëþ÷èòü íåñîîòâåòñòâèå ðàñ÷åòíûõ è ýêñïåðèìåíòàëüíûõ âåëè÷èí äëèí âîëí, ôîðìóëó Áàëüìåðà (1) ìîæíî áûëî áû çàïèñàòü ñëåäóþùèì îáðàçîì:

ãäå  – áåçðàçìåðíûé êîýôôèöèåíò ïðîïîðöèîíàëüíîñòè (const), ðàâåí 1,00056 è ïðèâîäÿùèé â ñîîòâåòñòâèå ðàñ÷åòíîå è ýêñïåðèìåíòàëüíîå çíà÷åíèå äëèíû âîëíû ñïåêòðà àòîìîâ âîäîðîäà. (Åãî ôèçè÷åñêèé ñìûñë áóäåò ðàñêðûò íèæå).

Íî ýòîãî íå ïðîèçîøëî. Â òî æå âðåìÿ áåçðàçìåðíûé êîýôôèöèåíò ïðîïîðöèîíàëüíîñòè  ñêðûòî ïðèñóòñòâóåò â «ïîñòîÿííîé Ðèäáåðãà» äëÿ âîäîðîäà RH.

 Äëÿ îïðåäåëåíèÿ ôèçè÷åñêîãî ñìûñëà «îñíîâíîãî ÷èñëà» k = 3645Å è áåçðàçìåðíîãî êîýôôèöèåíòà ïðîïîðöèîíàëüíîñòè , êîòîðûå âõîäÿò â «ïîñòîÿííóþ Ðèäáåðãà» äëÿ âîäîðîäà, âîñïîëüçóåìñÿ «Ïåðèîäè÷åñêîé òàáëèöåé ñïåêòðà àòîìîâ âîäîðîäà: äàííûå ýêñïåðèìåíòà» (ñì. òàáë. ¹1) [2] è ðàñ÷åòíûå äàííûå (ñì. òàáë. ¹2)

Ïðåîáðàçóåì ôîðìóëó Áàëüìåðà (1) â áîëåå îáùóþ ôîðìóëó, îïèñûâàþùóþ ýêñïåðèìåíòàëüíûå çíà÷åíèÿ âñåõ äëèí âîëí â òàáëèöå ¹1 è ïîëó÷àåì:

ãäå   – ëþáîå òàáëè÷íîå çíà÷åíèå äëèíû âîëíû ñïåêòðà

                         àòîìîâ âîäîðîäà â àíãñòðåìàõ.

LimH  – ðàñ÷åòíûé ïðåäåë ñåðèè Ëàéìàíà, ðàâåí    Å.            

n – ïîðÿäêîâûé íîìåð ñåðèè.

m – ïîðÿäêîâûé íîìåð ëèíèè â êàæäîé ñåðèè ñïåêòðà.

 – ñì. âûøå.

Íàïðèìåð: ñåðèÿ Ïàøåíà (n=3), ëèíèÿ â ýòîé ñåðèè (m=5)

            è ò. ä. ëþáîå òàáëè÷íîå çíà÷åíèå äëèíû âîëíû.

Ïðèâåäåííàÿ âûøå ïðîñòàÿ ôîðìóëà (5) ïðåêðàñíî ðàáîòàåò è ïðîèçâîäèò ðàñ÷åò âñåõ ÷èñëåííûõ çíà÷åíèé äëèí âîëí äàííîé ïåðèîäè÷åñêîé òàáëèöû.

            Çàòåì âûïîëíèì ïåðèîäè÷åñêóþ òàáëèöó ¹2 ñïåêòðà àòîìîâ âîäîðîäà (ðàñ÷åòíûå äàííûå), íî óæå áåç ó÷åòà êîýôôèöèåíòà ïðîïîðöèîíàëüíîñòè ΘH ñîãëàñíî ôîðìóëå (6).

Àíàëèç ïåðèîäè÷åñêîé òàáëèöû ¹2 íà÷íåì ñî ñòîëáöà LimH. Êàê âèäíî, ðàñ÷åòíûé ïðåäåë ñåðèè Ëàéìàíà ðàâíûé 3645Å/4  âõîäèò âî âñå ïðåäåëû äðóãèõ ñåðèé ñ ìíîæèòåëåì n2.  ñåðèè Áàëüìåðà n2 ðàâåí 22, à ñëåäîâàòåëüíî ïðåäåë ýòîé ñåðèè ðàâåí 3645Å. Òàê æå âèäíî, ÷òî ïîñòîÿííàÿ Ðèäáåðãà äëÿ âîäîðîäà ðàâíà îáðàòíîé âåëè÷èíå ðàñ÷åòíîãî ïðåäåëà ñåðèè Ëàéìàíà óìíîæåííîé íà êîýôôèöèåíò ïðîïîðöèîíàëüíîñòè  ΘH . (ñì. ôîðìóëó 4) (Åñëè èñïîëüçîâàòü äàííûå òàáëèöû ¹1, òî RH=1/911,75Å=109679,2ñì-1, íî â ýòîì ñëó÷àå ΘH=1,00055).

            Äàëåå ïðîâåäåì àíàëèç «ãëàâíîé äèàãîíàëè», ãäå  n=m. Íà ãëàâíîé äèàãîíàëè ìû âèäèì òó æå êàðòèíó: âåëè÷èíà 1215Å âõîäèò âî âñå äðóãèå çíà÷åíèÿ ýòîé äèàãîíàëè ñ ìíîæèòåëåì n2.

Åùå íàäî îòìåòèòü, ÷òî âñå âåëè÷èíû äëèí âîëí, âûðàæàþòñÿ: ëèáî öåëûìè ÷èñëàìè, ëèáî îòíîøåíèåì öåëûõ ÷èñåë.

Åñëè ïðèíÿòü âõîäÿùèå â âåëè÷èíó äëèíû âîëíû öåëûå ÷èñëà êàê íåêèå åå ôàçîâûå êîìïîíåíòû (èìååòñÿ ââèäó ïðîñòûå äðîáè), òî ýòî ïîäòâåðæäàåò òåîðèþ Ëóè äå Áðîéëÿ î «Çàêîíå ôàçîâîé ãàðìîíèè».

×òîáû ïîíÿòü ôèçè÷åñêèé ñìûñë êîýôôèöèåíòà ïðîïîðöèîíàëüíîñòè ΘH, êîòîðûé ñâÿçûâàåò ÷èñëåííûå çíà÷åíèÿ äëèí âîëí òàáë. ¹1 è òàáë. ¹2 âñïîìíèì èñòîðèþ ñîçäàíèÿ ýòàëîíà ìåòðà.

 1792 – 1797 ãã. ôðàíöóçñêèå ó÷åíûå Äåëàìáð è Ìåøåí çà 6 ëåò èçìåðèëè äóãó Ïàðèæñêîãî ìåðèäèàíà äëèíîé â 9° 40′ îò Äþíêåðêà äî Áàðñåëîíû  ÷åðåç âñþ Ôðàíöèþ è ÷àñòü Èñïàíèè.  1799 ãîäó èç ïëàòèíû áûë èçãîòîâëåí ýòàëîí ìåòðà, äëèíà êîòîðîãî ñîîòâåòñòâîâàëà îäíîé ñîðîêàìèëëèîííîé ÷àñòè Ïàðèæñêîãî ìåðèäèàíà. Íî âïîñëåäñòâèè âûÿñíèëîñü, ÷òî èç-çà íåïðàâèëüíîãî ó÷åòà ïîëþñíîãî ñæàòèÿ Çåìëè èçãîòîâëåííûé ýòàëîí ìåòðà îêàçàëñÿ êîðî÷å íà 0,2ìì.  ðåçóëüòàòå ìíîãî÷èñëåííûõ ïåðåïðîâåðîê êàæäûé ðàç ïîëó÷àëè  íîâûå çíà÷åíèÿ. Çàòåì áûëî ïðèíÿòî ðåøåíèå îñòàâèòü ïåðâîíà÷àëüíûé ýòàëîí ìåòðà, õðàíÿùåãîñÿ â àðõèâå. Îí ïîëó÷èë íàçâàíèå «àðõèâíîãî ìåòðà», è ýòèì ýòàëîíîì ìû ñåé÷àñ ïîëüçóåìñÿ. [4] Íî åñëè áû ôðàíöóçñêèå ó÷åíûå èçãîòîâèëè â 1799ã. ýòàëîí ìåòðà äëèííåå âñåãî íà 0,56ìì, òî êîýôôèöèåíò ïðîïîðöèîíàëüíîñòè ΘH ñòàë  ðàâåí åäèíèöå.   ýòîì ñëó÷àå ôîðìóëà Áàëüìåðà (1), ïîñëå ïðåîáðàçîâàíèÿ, ïðèíÿëà áû âèä ôîðìóëû (6), à ïåðèîäè÷åñêàÿ òàáëèöà ñïåêòðà àòîìîâ âîäîðîäà ïðèíÿëà áû âèä òàáëèöû ¹2. Ñëåäîâàòåëüíî, êîýôôèöèåíò ïðîïîðöèîíàëüíîñòè ΘH ðàâíûé 1,00056 – ýòî êîýôôèöèåíò îòíîøåíèÿ äâóõ ýòàëîíîâ ìåòðà, îäèí èç êîòîðûõ äëèííåå äðóãîãî íà 0,56ìì.

Ê ýòèì æå âûâîäàì ìîæíî ïîäîéòè, èññëåäóÿ «ïîñòîÿííóþ Ðèäáåðãà» R. Êàê ïîêàçàëè ýêñïåðèìåíòàëüíûå èññëåäîâàíèÿ, R íåìíîãî ìåíÿåòñÿ â çàâèñèìîñòè îò ïðèâåäåííîé ìàññû ÿäðà èññëåäóåìîãî ýëåìåíòà, (ñì. òàáë. ¹3). [3]

 

Òàáëèöà ¹3

R

ñì-1

RH

109677,59

RD

109707,42

RHe4

109722,27

R∞

109737,31

 

 òàáëèöå ¹3 ïðèâîäÿòñÿ ýêñïåðèìåíòàëüíûå çíà÷åíèÿ R äëÿ âîäîðîäà, äåéòåðèÿ, ãåëèÿ, à òàêæå R∞.

            Ïî ôîðìóëå, àíàëîãè÷íîé ôîðìóëå (4),  îïðåäåëèì çíà÷åíèå êîýôôèöèåíòà Θ äëÿ êàæäîãî êîíêðåòíîãî òàáëè÷íîãî R, (òàáë. ¹4).

 

Òàáëèöà ¹4.

Θ

Áåçðàçìåðíûé

Θ H

1,00056

Θ D

1,00029

Θ He4

1,00016

Θ ∞

1,000019

                       

            Êàê âèäíî èç òàáë. ¹3 è òàáë. ¹4 ïðè R→ R∞, êîýôôèöèåíò ïðîïîðöèîíàëüíîñòè Θ→1,  è ìû îïÿòü ïðèõîäèì ê  – ïðåäåëó ñåðèè Áàëüìåðà (ñì. òàáë. ¹2).

            Íàñòàëà ïîðà ñäåëàòü íåêîòîðûå âûâîäû:

1) Âñå çíà÷åíèÿ ïåðèîäè÷åñêîé òàáëèöû ¹1 ñïåêòðà àòîìîâ âîäîðîäà (äàííûå ýêñïåðèìåíòà) ïðåêðàñíî ñîãëàñóþòñÿ ñ ðàñ÷åòíûìè äàííûìè  ïðåîáðàçîâàííîé ôîðìóëû Áàëüìåðà (5).

            2) Åñëè ïðèíÿòü çà îñíîâó èäåè Ëóè äå Áðîéëÿ î öåëî÷èñëåííîé äëèíå âîëíû, âûðàæåííûå â åãî ðàáîòå î «Çàêîíå ôàçîâîé ãàðìîíèè», òî íàäî áóäåò ïåðåñìîòðåòü âåëè÷èíó ýòàëîíà ìåòðà äëÿ èñïîëüçîâàíèÿ åãî â ñïåêòðîñêîïèè. Ïðèðîäà ñàìà ïîäñêàçûâàåò ôèçèêàì, â êàêèõ åäèíèöàõ åå ëó÷øå èçìåðÿòü.

 

Ëèòåðàòóðà

 

  1. ßâîðñêèé Á.Ì. Î ÷åì ðàññêàçàë ñïåêòð àòîìîâ âîäîðîäà // Êâàíò. - 1991. - ¹3. - Ñ. 44-47.
  2. Ïåðèîäè÷åñêàÿ òàáëèöà ñïåêòðà àòîìîâ âîäîðîäà // Scientific-technical library URL: http://www.sciteclibrary.ru/texsts/rus/stat/st3427-1.pdf  (äàòà îáðàùåíèÿ: 26 ñåíòÿáðÿ 2012ã.).
  3. Ñîáåëüìàí È.È. Ââåäåíèå â òåîðèþ àòîìíûõ ñïåêòðîâ. Ãîñóäàðñòâåííîå èçäàòåëüñòâî ôèçèêî-ìàòåìàòè÷åñêîé ëèòåðàòóðû, 1963ã. - 640 ñ.
  4. Ìåòð // Âèêèïåäèÿ URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B5%D1%82%D1%80 (äàòà îáðàùåíèÿ: 26 ñåíòÿáðÿ 2012).

 

Hosted by uCoz