Охарактеризуйте тонкую структуру заданной линии (4ая линия в серии Лаймана) в спектре водорода. Для этого:
а) определите типы термов комбинируемых состояний и спектральные обозначения соответствующих энергетических подуровней;
б) в соответствии с правилами отбора изобразите возможные переходы;
в) Сколько всего разных спектральных линий будут соответствовать тонкой структуре заданной линии.
Решение
A) Заданная линия серии Лаймана в спектре испускания водорода возникает в результате перехода (E5E1) атомов водорода из состояния с энергией E5 в основное состояние с энергией E1.
Для состояния с энергией E1 главное квантовое число n=1.
Азимутальное квантовое число l=0, n-1. принимает значения:l=0.
Квантовое число j полного механического момента принимает два одинаковых значения:
j=l±s=0±12=12.
Здесь s=1/2 спиновое квантовое число.
Обозначим æ (греческая буква «каппа») мультиплетность термов. Она определяется по формуде:
æ=2s+1=2.
В рамках модели, в которой учитываются спин-орбитальное взаимодействие, приводящее к возникновению тонкой структуры уровней энергии, и релятивистские эффекты, энергия квантового состоянии водородоподобного атома определяется по формуле Дирака:
En,j=-hcRn2-hcR2Z4n31j+12-34n. (1)
Здесь h – постоянная Планка, c– скорость света в вакууме, R – постоянная Ридберга, – постоянная тонкой структуры, Z – зарядовое число.
Таким образом, уровень энергии E1 не расщепляется, терм является простым, его символическое обозначение: 12S12.
Для состояния с энергией E5 главное квантовое число n=5.
Азимутальное квантовое число l=0, n-1
. принимает значения:l=0, 1, 2, 3, 4.
Квантовое число j=l±s полного механического момента принимает значения:
для l=0
j=0∓12=12;
спектральное обозначение подуровня: 52S12.
для l=1
j=1∓12=12, 32 ;
спектральное обозначение подуровней: 52P12, 52P32;
для l=2
j=2∓12=32, 52 ;
спектральное обозначение подуровней: 52D32, 52D52;
для l=3
j=3∓12=52, 72 ;
спектральное обозначение подуровней: 52F52, 52F72;
для l=4
j=4∓12=72, 92 ;
спектральное обозначение подуровней: 52G72, 52G92.
Вследствие спин-орбитального взаимодействия, терм n=5. имеет тонкую структуру. Согласно формуле (1), происходит расщепление уровня E5 на 5 подуровней с разной энергий, соответствующей разным значениям j. В то же время видно, что подуровни 52S12 и 52P12, 52P32 и 52D32, 52D52 и 52F52, 52F72 и 52G92 попарно вырождены по энергии, так как их энергия определяется одинаковыми j и n