Opis
Wielu z nas wydaje się, że wie, jak wygląda atom: to kulka, dookoła której latają elektrony... O atomie da się powiedzieć bardzo dużo ciekawych rzeczy, o których nawet nie wspomniano nam w szkole... Obok teorii względności fizyka atomu stanowi jedną z istotnych gałęzi fizyki współczesnej. W książce w sposób kompleksowy zostały omówione następujące zagadnienia: • podejście Bohra do teorii atomu oraz podejście w mechanice kwantowej; • podstawowe pojęcia mechaniki kwantowej oraz sposób opisu atomu wodoru w mechanice kwantowej; • systematyka poziomów energetycznych atomów złożonych; • zasada Pauliego; • okresowy układ pierwiastków; • zarys teorii promieniowania; • struktura optycznych widm atomowych oraz liniowych widm rentgenowskich, a także wpływ jądra na strukturę widm atomowych; • zachowanie atomu w polu magnetycznym oraz w polu elektrycznym; • atomowa spektroskopia laserowa i fizyka zimnych atomów. Publikacja została napisana z myślą o studentach i wykładowcach fizyki oraz chemii na różnych uczelniach, zarówno uniwersyteckich, jak i technicznych (politechniki). Spis treściPrzedmowa XXI 1. Wiadomości wstępne 1 1.1. Przedmiot fizyki atomu 1 1.2. Widma atomowe 3 1.2.1. Charakterystyczne wielkości promieniowania atomowego 4 A. Równanie fali elektromagnetycznej 4 B. Długość fali – jednostki 5 C. Częstość i liczba falowa – jednostki 6 D. Energia – jednostki 7 1.2.2. Rejestracja widm 10 1.3. Widma emisyjne 12 1.3.1. Widma liniowe, pasmowe i ciągłe – uwagi ogólne 12 A. Widma liniowe 12 B. Widma pasmowe 14 C. Widma ciągłe 15 1.3.2. Widma ciągłe – przykłady 15 A. Promieniowanie ciała doskonale czarnego; wzór Plancka 15 B. Promieniowanie termiczne i luminescencyjne 17 C. Ciągłe promieniowanie optyczne 19 D. Ciągłe promieniowanie rentgenowskie 19 E. Promieniowanie synchrotronowe 21 1.3.3. Widma absorpcyjne 23 1.4. Początki spektroskopii atomowej 24 1.4.1. Pierwsze pomiary spektroskopowe 24 A. Linie Fraunhofera 24 B. Rozwój techniki pomiarowej 25 1.4.2. Pierwsze poszukiwania prawidłowości w widmach atomowych 26 1.5. Serie widmowe 26 1.5.1. Odkrycie Balmera 27 1.5.2. Termy. Zasada kombinacji Ritza 27 1.5.3. Serie wodorowe 28 2. Stara teoria kwantów. Atom wodoru 30 2.1. Bohra teoria atomu wodoru 30 2.1.1. Prosty oscylator harmoniczny Plancka 30 2.1.2. Pierwsze modele atomu 33 A. Model Thomsona 33 B. Model Rutherforda 33 2.1.3. Postulaty kwantowe Bohra 34 2.1.4. Wyprowadzenie wzoru Rydberga 35 A. Energia stanu stacjonarnego 35 B. Przejścia promieniste w atomie 37 C. Stała Rydberga dla jądra nieruchomego 38 D. Termy 39 2.2. Graficzna ilustracja atomowych stanów energetycznych 39 2.2.1. Kołowe orbity elektronowe w atomie wodoru 40 2.2.2. Schemat poziomów energetycznych 40 2.2.3. Stany nieskwantowane i widmo ciągłe atomów 42 2.3. Widma jonów wodoropodobnych 43 2.3.1. Serie widmowe jonów wodoropodobnych 43 A. Spektroskopowe oznaczanie widm jonów 43 B. Seria Pickeringa 43 C. Widma jonów wodoropodobnych w teorii Bohra 44 D. Ciężkie jony wodoropodobne 45 2.3.2. Wpływ masy jądra na poziomy energetyczne atomów 46 A. Masa zredukowana 46 B. Izotopowy efekt masy 48 C. Stała Rydberga atomu wodoru i jonów wodoropodobnych 49 2.4. Doświadczalny dowód istnienia skwantowanych stanów energetycznych w atomach 49 2.4.1. Zderzenia pierwszego i drugiego rodzaju 50 A. Zderzenia pierwszego rodzaju 50 B. Zderzenia drugiego rodzaju 50 C. Zderzenia pierwszego i drugiego rodzaju w fizyce atomowej 50 2.4.2. Doświadczenie Francka–Hertza 51 2.5. Rozszerzenie teorii Bohra przez Sommerfelda 52 2.5.1. Uogólnione warunki kwantowe Sommerfelda 53 2.5.2. Orbity eliptyczne Sommerfelda 54 2.5.3. Energia elektronu na torze eliptycznym 55 A. Niezależność energii elektronu od kształtu elipsy 55 B. Interpretacja liczb kwantowych n i k 55 2.5.4. Subtelna struktura w widmie atomu wodoru według Sommerfelda 56 A. Relatywistyczne rozszczepienie poziomów energetycznych w teorii Sommerfelda 56 B. Stała struktury subtelnej 57 C. Reguła wyboru dla azymutalnej liczby kwantowej 59 2.6. Zasada odpowiedniości 61 2.6.1. Nieciągłość wartości wielkości fizycznych w mikro- i makroświecie 61 A. Moment pędu 61 B. Częstość promieniowania atomu 62 2.6.2. Sformułowanie zasady odpowiedniości 62 2.7. Wady i zalety starej teorii kwantów 63 2.7.1. Wady starej teorii kwantów 63 2.7.2. Zakres stosowalności starej teorii kwantów 64 2.7.3. Zalety starej teorii kwantów 64 3. Odkrycie mechaniki kwantowej 65 3. Odkrycie mechaniki kwantowej 65 3.1. Wprowadzenie 65 3.1.1. Teorie kwantowe Heisenberga i Schrödingera 65 3.1.2. Obecny status mechaniki kwantowej 66 3.1.3. Mechanika kwantowa w niniejszym podręczniku 67 3.2. Dualizm falowo-korpuskularny 67 3.2.1. Falowa natura promieniowania elektromagnetycznego 68 A. Interferencja 68 B. Interferometr Fabry’ego–Pérota 70 C. Dyfrakcja na wąskiej szczelinie 79 D. Doświadczenie Younga z dwiema szczelinami 80 E. Siatka dyfrakcyjna 81 3.2.2. Falowa natura promieniowania rentgenowskiego 85 A. Podstawy teoretycznej analizy dyfraktogramów rentgenowskich 85 B. Metod