Существование уровней энергии убедительно подтверждается и совершенно иными средствами измерения. При бомбардировке газа электронами наблюдается свет, испускаемый газом. При низких энергиях бомбардирующих электронов мы не видим свечения газа. Но при переходе через наименьшую энергию возбуждения свет внезапно появляется. Исследуя этот свет с помощью спектроскопа, мы видим резкую линию, указывающую на излучение света с определенной длиной волны и частотой, т. е. указывающую на фотоны какой-то одной энергии.
Например, со ртутью, когда бомбардирующие электроны переходят за 4,9 э, спектроскоп, в который мы наблюдаем газ, внезапно показывает присутствие ультрафиолетового света, имеющего длину волны 2537 А. Эта яркая спектральная линия является одной из линий, по которым распознается спектр ртути. Но такой спектр ртути с одной линией необычен. От разрядной трубки, наполненной ртутным паром, мы обычно видим много характерных спектральных линий ртути, много линий определенной длины волны, которые позволяют опознать этот элемент. Здесь же мы получили только одну часть нормального спектра ртути.
Опыты, описанные в предыдущем разделе, свидетельствуют о том, что в данном случае нам удалось сообщить некоторым атомам ртути в газе порции энергии по 4,9 эв. Мы начинаем видеть это излучение ртути только тогда, когда сообщены такие порции энергии. Видимо, энергия возбуждения, которую мы сообщаем за счет кинетической энергии электронов, излучается в виде фотонов отдельными атомами по мере того, как они возвращаются в основное состояние. (Вспомните, что основное состояние является состоянием с наиболее низкой энергией - состоянием, в котором атом ртути находится на естественном уровне энергии до того, как ему передана энергия 4,9 эв от столкнувшегося с ним электрона.) Если атом получает энергию сразу в виде целой порции, то фотоны должны иметь энергию 4,9 эв, и длина волны соответствующего света должна быть равна *)



Если бы атом ртути мог получать свою избыточную энергию в количестве более одного фотона, то был бы виден свет с большими длинами волн. Следовательно, опыт со спектроскопом показывает, что атомы не только принимают от электронов определенное количество энергии, но что, возвращаясь в нормальное состояние, они в данном случае могут излучать только в точности то же количество энергии. Как получая энергию от электронной бомбардировки, так и испуская энергию в виде света, атомы одним скачком совершают переходы между двумя энергетическими состояниями, расстояние между которыми составляет немного менее 4,9 эв (рис. 34.3). Это представляет собой замечательное подтверждение того предположения, что атомы могут испытывать только вполне определенные дискретные изменения их внутренней энергии.
Продолжим опыт со спектроскопом, увеличивая энергию, с которой электроны бомбардируют атомы ртути, и будем наблюдать свет, который они испускают. По мере увеличения энергии бомбардировки появляются остальные известные линии спектра ртути. Они появляются группами по мере того, как энергия бомбардировки последовательно повышается над порогами возбуждения все более и более высоких энергетических состояний. Следовательно, такой способ позволяет как бы разделять спектр ртути и наблюдать, как он возникает.
До того как атом испытал удар электрона, он находится в состоянии, соответствующем самой низкой внутренней энергии, т. е. в основном состоянии. Если об атом ударится электрон с энергией, которая меньше разности энергий между основным состоянием и первым возбужденным состоянием, то с атомом не произойдет ничего. Однако электрон с большей энергией может передать энергию внутрь атома. Если этой энергии достаточно только для достижения первого возбужденного состояния, то от электрона будет отнята энергия, как раз равная энергии первого возбуждения, и атом затем излучит фотон, который примет участие в создании линии 2537 А - первой из появляющихся линий. Фотоны излучаются многими атомами ртути, и все фотоны имеют одинаковую энергию, так как каждый отдельный атом переходит с первого возбужденного состояния в основное. Если электроны могут дать еще больше энергии, то отдельные атомы могут возбудиться до еще более высоких уровней внутренней энергии.



Рис. 34.3. Изменения энергии при бомбардировке атома электронами. а) Упругое столкновение между бомбардирующим электроном и атомом. Стрелка показывает путь приходящего электрона. "Груз" над электроном представляет его кинетическую энергию. Атом и его уровни энергии представлены прямоугольниками. В рассматриваемом случае у электрона недостаточно энергии для того, чтобы поднять атом на ближайший, более высокий энергетический уровень, вследствие чего электрон рассеивается упруго, сохраняя свою кинетическую энергию.
б) Здесь электрон имеет больше энергии. Атом поглощает ровно столько энергии, сколько ему нужно, чтобы достигнуть своего второго уровня, а электрон уносит только избыточную кинетическую энергию. Произошло неупругое столкновение.
в) Атом находится на своем втором энергетическом уровне, в "возбужденном состоянии". Возвращаясь в основное состояние, атом испускает фотон с энергией, равной разности энергий между обоими состояниями.

Тогда при возвращении атома в основное состояние он может излучить фотон с большей энергией или, возможно, несколько фотонов с энергиями, равными разностям энергий между несколькими внутренними энергетическими состояниями, в которых может существовать атом.
В излучении фотонов, как и во всех известных нам процессах, энергия сохраняется. Энергия hv испущенного фотона равна разности между начальной и конечной внутренней энергией атома при его переходе из одного состояния в другое:

Е_фотона=hv=E_{начальное}-E_{конечное}

Каждая спектральная линия образована излучением многих атомов; во всех атомах независимо друг от друга происходят переходы между одними и теми же внутренними энергетическими состояниями. На рис. 34.4 проанализирован спектр ртути и показана его связь с энергетическими уровнями атома ртути. Вертикальные прямые на схеме энергетических уровней показывают энергии фотонов, которые могут быть испущены. Для испускания каждого фотона какой-либо один атом должен перейти скачком из более высокого энергетического состояния вниз, в более низкое состояние, и фотон при этом уносит с собой освобождаемую энергию. Обратите внимание на то, что линии ртути с большей длиной волны соответствуют перескокам между состояниями, которые оба находятся выше основного состояния. Разности их энергий меньше, так что испущенные фотоны обладают более низкой частотой и большей длиной волны. Однако для получения таких длинноволновых линий некоторые атомы ртути должны быть сначала переведены в более высокие энергетические состояния. Для этого требуется более 5 эв. Так можно объяснить явление, которое иначе представляется странным: длинноволновые линии ртути образованы фотонами с энергией, которая меньше 5 эв, но для их получения требуются электроны с энергией, которая больше той, которая нужна для получения яркой линии при 2537 А. Причина ясна: спектральные линии образуются переходами атомов между отдельными внутренними энергетическими состояниями. Ни одного из этих начальных состояний, необходимых для таких длинноволновых переходов, нельзя достигнуть из основного состояния ртути без сообщения энергии, которая должна быть безусловно выше 5 эв.
До сих пор предполагалось, что атомы ртути в нормальном состоянии находятся на наиболее низком уровне энергии, т. е. в основном состоянии. Это справедливо при низкой температуре. Однако при повышении температуры столкновения между атомами ртути становятся более сильными. При достаточно высокой температуре некоторые столкновения атомов могут оказаться неупругими, точно так же как это бывает при столкновениях с электронами. После таких столкновений один или оба сталкивающихся атома остаются в возбужденном состоянии. Когда в возбужденных состояниях оказывается достаточное число атомов, газ начинает светиться. Свет испускается по мере того, как атомы возвращаются в основное состояние, время от времени переходя с одного энергетического уровня на другой и испуская при этом фотоны, иногда перескакивая с очень высокого уровня на низкий с испусканием высокочастотного фотона.




а) В случае электронов с любой энергией выше 4,9 эв испускается яркая ультрафиолетовая линия с длиной волны 2537 А. Это соответствует, как показано справа, изменению энергии атома при переходе из первого возбужденного состояния в основное состояние. Когда энергия электрона приближается к 7 эв, имеется также изменение энергии с 6,67 эв до основного состояния, дающее линию с длиной волны 1849 А. Длина волны такого света, однако, слишком коротка для того, чтобы подействовать на фотопластинку. Здесь этот переход показан прерывистой стрелкой. В последующих рисунках эта стрелка убрана.
состояние




б) При 8,4 эв в фотографируемой области появляются три новые линии большей длины волны. Соответствующие фотоны имеют энергию, которую дает переход с уровней вблизи 7,8 эв на уровни вблизи 4,9 эв.



в) Если энергию бомбардирующих электронов поднять до 8,9 эв, то появляются еще две линии промежуточной длины волны. Фотоны обладают энергиями, которые получаются при переходах с уровней вблизи 8,8 эв на уровни вблизи 4,9 эв.



г) При дальнейшем увеличении напряжения, ускоряющего электроны, появляется все больше и больше линий. При 10,4 эв атом ионизируется, и получается полный спектр. Здесь надписи над фотоснимком и под ним помогают различать группы линий.

Рис. 34.4. Постепенное возбуждение спектра ртути при возрастании энергии бомбардирующих электронов. Фотоснимки показывают спектральные линии, которые появляются при бомбардировке ртутного пара электронами. В каждом случае бомбардирующие электроны обладают определенной энергией, которая указана слева от фотоснимка.

Высокие температуры, электронные столкновения (и любой другой способ возбуждения свечения атомов газа) являются средствами перевода атомов в возбужденные состояния. Атомы испускают фотоны, энергии которых соответствуют разностям энергий между атомными энергетическими уровнями. Эти фотоны и создают спектр атома. Данный сорт атомов может испускать только линии, которые обладают характеристическими частотами, определяемыми разностями между энергетическими уровнями:



Разумеется, различные методы сообщения энергии газу могут приводить к тому, что в различных возбужденных состояниях находится различное число атомов. Как мы увидим в следующем разделе, фотоны света одной длины волны могут возбудить атомы до одного более высокого энергетического уровня; и лишь немногие из других состояний могут быть достигнуты в процессе излучения и возврата атомов к основному состоянию. Тщательно отрегулированный пучок электронов с энергией 5 эв дает только первое возбужденное состояние ртути. Высокие температуры производят иное действие. Столкновения беспорядочно движущихся атомов могут поднять внутренние энергии нескольких атомов на высокие энергетические уровни, но при этом имеется много атомов на низких уровнях. Таким образом может изменяться яркость линий, хотя отдельная линия атома всегда имеет одну и ту же частоту, где бы она ни появилась.

*) Это выражение уже было выведено в разделе 33.6 (стр. 765).