Статья: Тайны академических теорий спектров

Таблица 9. Спектр второго электрона водородоподобного атома гелия и энергии связи его с ядром атома

Третий электрон атома лития имеет наибольшую энергию ионизации . Она равна энергии связи этого электрона с ядром атома , соответствующей первому энергетическому уровню . Подставляя в формулы (17) и (19), найдем (табл. 10).

Таблица 10. Спектр третьего электрона водородоподобного атома лития и энергии связи его с ядром атома на стационарных энергетических уровнях

Соотношение (17) мы назвали законом формирования спектров атомов и ионов потому, что до выявления этого закона спектры водородоподобных атомов рассчитывались с помощью уравнений Бальмера - Ридберга или Шредингера, а для расчета спектров всех последующих электронов использовались приближенные численные методы. Уравнение же (17) позволяет рассчитывать спектры всех электронов, но при определенных условиях. Рассмотрим эти условия подробно на примере расчёта спектра первого электрона атома гелия.

5. Расчет спектра атома гелия

Атом гелия имеет два электрона. Энергия ионизации первого , а второго - . Состояние атома гелия, при котором оба его электрона находятся на первых энергетических уровнях, называется основным, невозбужденным. Энергия возбуждения - это энергия поглощенного фотона. Она равна разности между энергией ионизации электрона и энергией связи электрона с ядром атома, соответствующей тому энергетическому уровню, на который переходит электрон после поглощения фотона. Такие уровни мы назвали стационарными [5].

Атом гелия с одним электроном находится в ионизированном состоянии, поэтому его называют ионом гелия. Мы уже показали, что закономерность изменения энергий стационарных энергетических уровней у всех атомов, состоящих из ядра и одного электрона, одна и та же. Спектры таких ионов рассчитываются по математической модели (19) закона формирования энергий связи электронов с ядрами атомов. Подставляя энергию ионизации первого электрона атома гелия в закон (17) формирования спектров атомов и ионов, получим (табл. 11).

Таблица 11. Спектр первого электрона атома гелия

Уважаемые академики! В народе по этому поводу говорят, что даже козе понятно, что неспособность теории спектров атомов и ионов рассчитать спектр атома второго химического элемента - гелия (табл. 11) требует остановиться и искать причину этого. Я понял это и около года искал причину противоречий в таблице 11. Описываю кратко процесс этого научного поиска.

Для этого выпишем из справочника энергии возбуждения первого электрона атома гелия, соответствующие стационарным энергетическим уровням. При , имеем (табл. 12).

Обратим внимание на энергию возбуждения 23,01eV (табл. 12), соответствующую четвертому стационарному энергетическому уровню. В справочнике [А.П. Стриганов] её вообще нет, а в справочнике [А.Н. Зайдель] 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. В результате будем иметь (табл. 13).

Таблица 12. Энергетические показатели стационарных энергетических уровней первого электрона атома гелия

Таблица 13. Энергии связи первого электрона атома гелия с его ядром

Напомним, что энергии связи первого электрона с ядром атома определяются, как разность между энергией ионизации и энергиями возбуждения , равными энергиям поглощаемых или излучаемых фотонов (табл. 13).

Сразу же обратим внимание на то, как был получен эмпирический закон для расчета энергий связи первого электрона атома гелия, приведенный в табл. 13 , и полностью совпадающий с законом (19), формирующим энергии связи электронов водородоподобных атомов. Для этого была взята энергия 3,37ev, соответствующая энергии возбуждения 21,22eV (табл. 12), и умножена на 4 [5]. Полученное число оказалось энергией связи, соответствующей первому энергетическому уровню первого электрона атома гелия. Конечно, это фиктивная энергия, но образовавшийся при этом ряд энергий (табл. 13, последняя колонка) полностью совпадает с рядом соответствующих экспериментальных значений (табл. 13, колонка 3), подтверждая правомочность исключения из этого ряда энергий возбуждения 20,96eV и 23,01eV [5].

Полученный результат показывает, что энергия связи первого электрона атома гелия, соответствующая первому энергетическому уровню , не равна энергии ионизации этого электрона . Почему? Это центральный вопрос, на который мы дадим ответ при анализе процесса формирования атома гелия [5].

Результаты таблицы 13 требуют возврата к эксперименту по определению спектра первого электрона атома гелия для того, чтобы окончательно установить наличие или отсутствие экспериментальных линий, соответствующих энергиям 20,96eV и 23,01eV.

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 мы получим при анализе структуры атома гелия [5]. Если формула (17) действительно является законом формирования спектров атомов и ионов, то с её помощью мы должны получить экспериментальные значения энергий возбуждения. Подставляя в формулы (17) (19) и , получим (табл. 14).

Таблица 14. Спектр первого электрона атома гелия

Уважаемые академики! Дальше мы получим спектры и других многоэлектронных атомов, используя метод определения энергии связи электрона с ядром, соответствующей первому энергетическому уровню, разработанный на примере анализа спектра первого электрона атома гелия [5].

6. Расчёт спектра атома лития

В атоме лития три электрона. Литий, содержащий один электрон, считается водородоподобным атомом. Мы уже показали, как рассчитываются спектры водородоподобных атомов, в том числе и водородоподобного атома лития (табл. 8). Рассчитаем спектр второго электрона этого атома.

Энергия ионизации второго электрона атома лития равна . Теперь 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 [А. Н. Зайдель]: 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 .

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. Вот её значение .

Итак, энергия ионизации второго электрона атома лития не равна энергии его связи с ядром атома, соответствующей первому энергетическому уровню. Подставляя эти данные в формулы (17) и (19), получим (табл. 15).

Таблица 15. Спектр второго электрона атома лития

Рассчитаем спектр первого электрона атома лития. Его энергия ионизации , а ряд энергий возбуждения, соответствующий стационарным энергетическим уровням, такой: 3,83; 4,52; 4,84; 5,01; 5,11; 5,18; 5,22; 5,25; 5,28; 5,30; 5,31; eV.

Разность между энергией ионизации этого электрона и энергией возбуждения, соответствующей третьему стационарному энергетическому уровню, будет такой: . Далее, найдем энергию связи этого электрона с ядром атома, соответствующую первому фиктивному энергетическому уровню.

.

Итак, энергия ионизации первого электрона атома лития , а фиктивная энергия связи с ядром, соответствующая первому энергетическому уровню, . Подставляя эти данные в математическую модель формирования спектров атомов и ионов (17) и в формулу (19) расчета энергий связи этого электрона, соответствующих стационарным энергетическим уровням, получим спектр этого электрона (табл. 16).

Таблица 16. Спектр первого электрона атома лития