Тонкая структура гелиеподобных атомов

Точность, с которой вычислены энергии термов в таблице 5.10, недостаточна для расчета тонкой структуры. Прежде чем перейти к более точному расчету, покажем на примере атома гелия, что изложенная выше теория хорошо описывает и сложные атомы. Во втором стационарном состоянии электрон, движущийся по третьей круговой орбите, имеет z =1,03286015 (см. табл.5.3). Зарядовое число z для этого электрона можно определить по формуле

.

Подставив известные величины, находим z₂=1,032852818. Электрон, движущийся по четвёртой эллиптической орбите, имеет z =1,03286133. Для него по формуле

находим z₂=1,032846666.Таким образом, если в водородоподобных атомах для электронов, движущихся по любой орбите, z имеет одно и то же значение, то в гелиеподобных и в других более сложных атомах z зависит от формы и размеров орбиты.

При излучении волны гелиеподобным атомом изменяется полная энергия не только у наружного электрона, но и внутреннего. Точно так же при переходе электрона с эллиптической орбиты на круговую изменится энергия у обоих электронов. Разности энергий термов, приведенных в таблице 5.11, можно определить по формуле

,

где Е₁ и Е₂ – полные энергии внутреннего и наружного электронов при нахождении последнего на круговой орбите; Е и Е - полные энергии электронов при нахождении наружного электрона на эллиптической орбите. В атоме гелия, например, при переходе
2³Р₁-2³Р₀, Е -Е₁ = 0,572 см^-1 и Е - Е₂ = 0,416 см^-1.

Теоретически рассчитать Е_Т трудно. Справочные данные не позволяют выявить закономерность изменения эффективных зарядовых чисел электронов в зависимости от их стационарного состояния и заряда ядра. Отличие энергий термов тонкой структуры наблюдается после пятой значащей цифры. Как показано выше, последние цифры значений термов получены расчетным способом и поэтому не могут быть использованы при создании новой теории. В таблице 5.11 для перехода 3^/Д₂ - 3³Д₂ в ионе лития и для переходов 2³Р₁ - 2³Р₀ и 3³Р₁ –3³Р₀ в ионе водорода приведены ориентировочные значения разностей термов.

В настоящее время принято считать, что имеются две разновидности гелия: парагелий и ортогелий. Спины электронов в атоме гелия могут быть ориентированы или параллельно, или антипараллельно. У парагелия спины электронов ориентированы антипараллельно. Полный спиновый момент атома S=0. Внутреннее квантовое число при данном значении орбитального квантового числа L будет иметь лишь одно значение J=L. По этой причине все термы у парагелия будут синглетными. У ортогелия спины электронов ориентированы параллельно. Полный спиновый момент S=I. Внутреннее квантовое число при данном значении L будет иметь три значения: (L+1);L; (L-1). У ортогелия при L ³ 1 термы будут триплетными, а при L = 0 – синглетными.

Отсутствие спина у электронов [76] ставит под сомнение целесообразность введения правила отбора и деления атомов гелия на две разновидности. На рис.5.5 все уровни энергий гелия изображены на одной схеме. С левой стороны схемы написаны символы, принятые в настоящее время для обозначения уровней энергий, а с правой – значения k и n согласно новой теории. Пунктирной линией показан уровень энергии для случая, если бы наружный электрон, находясь в первом стационарном состоянии, двигался по второй возможной круговой орбите.

Рис. 5.5. Схема уровней энергий в атоме гелия

Правилом отбора запрещены переходы между синглетными и триплетными уровнями по спиновому моменту. Однако, если рассматривать только три стационарных состояния, то можно насчитать как минимум пять таких переходов, наблюдаемых на опыте:2³P₀-1¹S₀; 2³P₁-1¹S₀ ; 3³P₀-1¹S₀; 3³P₁-1¹S₀ и 3³P₁-2¹S₁. Многие авторы пытаются не замечать этого. Желая обосновать разделение атомов гелия на две разновидности и показать непротиворечивость правила отбора, одни из них утверждают, что переходы между уровнями энергий парагелия и ортогелия в экспериментах никогда не наблюдались [65,77], другие говорят, что в виде исключения возможен один переход 2³P₁-1^'S₀ [53,78], третьи показывают на схемах термов два перехода [73].

Анализируя схему на рис. 5.5, замечаем, что самопроизвольные переходы происходят не между всеми уровнями энергий. Есть уровни энергий, например 2^/S₀; 2³ S₁, переход с которых на более низкий уровень происходит только при соударении атомов. Их называют метастабильными. Таким уровням энергий могут соответствовать только круговые орбиты электронов.

На основании вышеизложенного можно сделать следующие выводы:

1. Существующая и новая теории одинаково хорошо описывают тонкую структуру спектров, но при вычислении абсолютных значений термов получаются небольшие расхождения.

2. Существующая теория, объясняя тонкую структуру с помощью гипотезы о спине, предсказывает значительно большее количество уровней энергий, чем их наблюдается на самом деле в спектрах. Правило отбора было введено для устранения этого противоречия.

3. У гелиеподобных атомов при одном и том же стационарном состоянии электрона в зависимости от размеров орбиты и скорости электрона изменяется зарядовое число Z^/. Вследствие этого у гелиеподобных атомов, в отличие от водородоподобных, в одном стационарном состоянии возможна не одна круговая орбита, а несколько.

4. Анализ спектра гелия с помощью новой теории приводит к выводу о нецелесообразности его разделения на два спектра: спектр парагелия и спектр ортогелия.