Спектры испускания - яркие линии, которые мы видим в спектрах возбужденных атомов,- не единственные спектры, с помощью которых мы получаем сведения о состояниях внутренней энергии атомов. Подобную же информацию можно получить, посылая сквозь газ белый свет и затем анализируя его с помощью спектроскопа. Белый свет представляет собой смесь (в определенных пределах) всех частот; соответственно он содержит и фотоны всех возможных энергий. Большинство этих фотонов проходит сквозь газ и обнаруживается в спектре на фотопластинке.



Рис. 34.5. Коротковолновая область спектра поглощения натрия. Так как этот рисунок представляет собой репродукцию фотографического негатива, то поглощенные длины волн выглядят как светлые линии на непрерывном темном фоне.

Они не поглотились, потому что энергия фотона не всегда может быть принята атомом для совершения перехода с одного внутреннего энергетического уровня на другой. Но некоторые фотоны захватываются. Их отсутствие обнаруживается в виде узких п-юбелов в спектре света, прошедшего сквозь газ. Каждый недостающий фотон был поглощен атомом, когда этот фотон вызывал переход атома с одного внутреннего энергетического уровня на другой. Эти пробелы в спектре соответствуют вполне определенным внутренним энергетическим состояниям атома (рис. 34.5).
Здесь применимы такое же объяснение, как для спектров испускания, и тот же самый закон сохранения энергии; только последовательность процессов другая (рис. 34.6). В этом случае начальным состоянием атома является более низкое внутреннее энергетическое состояние; конечное состояние лежит выше, потому что оно соответствует сумме полной исходной энергии атома и энергии поглощенного фотона света:
E_{конечное} = E_{начальное} + E_фотона = E_{начальное} + hv



рис. 34.6. Изменение энергии, происходящее при бомбардировке атома световыми фотонами различных энергий. "Груз", изображенный над фотоном, представляет его энергию,
а) Атом находится в основном состоянии, а фотон имеет слишком малую энергию для того, чтобы перевести атом в ближайшее возбужденнее состояние. Фотон просто проходит сквозь атом или упруго рассеивается.
б) Фотон имеет как раз такую энергию, которая необходима и достаточна для перевода атома в его первое возбужденное состояние. Фотон поглощается атомом, который забирает всю его энергию.
в) Фотон таков, что у него энергии больше, чем нужно для возбуждения атома, но недостаточно для достижения другого возбужденного состояния. Этот фотон тоже должен рассеяться упруго, так как, если бы он был поглощен, то атом не мог бы одновременно обеспечить сохранение энергии и оказаться на дозволенном энергетическом уровне. Единственной возможностью является испускание атомом такого же фотона.
г) В этом случае фотон таков, что его энергии достаточно для ионизации атома. Он переводит атом в область энергетических уровней с положительными значениями энергии. Это лишь другая формулировка утверждения, что электронная оболочка атома нарушена и что снятый с орбиты электрон уносит в виде кинетической энергии избыток энергии сверх ионизационного порога. (Обратите внимание на то, что атом, уже находящийся в возбужденном состоянии, может быть ионизирован фотоном с меньшей энергией, который атомом в нормальном состоянии был бы просто упруго рассеян.)

Отсюда можно, например, понять, почему ртутный пар при комнатной температуре прозрачен для видимого света. Ни один фотон в видимом свете не обладает энергией, достаточной для перевода атома ртути из основного состояния в его первое возбужденное состояние. Подходящие для этого фотоны появляются только в ультрафиолетовом свете с длиной волны 2537 А. Как и следовало ожидать, именно этот свет очень сильно поглощается. То же самое заключение применимо к другим, обычно бесцветным газам - кислороду, азоту, гелию и всем остальным. Они могут поглощать свет только в ультрафиолетовой области. И там мы находим ряд линий поглощения.
Если частота света достаточно велика и лежит в далекой ультрафиолетовой области или за ее пределами, фотон может полностью удалить электрон из атома. Атом оказывается ионизированным, и любой избыток энергии уносится электроном в виде кинетической энергии. Это и есть фотоэлектрический эффект. Не существует предела для количества кинетической энергии, которая может быть сообщена электрону. Поэтому нет никаких ограничений для частоты света, который выбрасывает электроны, при условии, что она превосходит определенное минимальное "пороговое" значение. Наблюдаемый порог фотоэлектрического эффекта в атомах дает как раз минимальную частоту, необходимую для того, чтобы полностью оторвать электрон от атома. Спектральные данные при этом полностью согласуются с данными, полученными при наблюдении фотоэлектронов.
Любой свет, любое электромагнитное излучение могут возбуждать атомы или испускаться ими при скачках или переходах между энергетическими уровнями. Рассмотрим, например, случай излучения, испускаемого далеко за областью видимого света. Хотя мы привыкли думать о взаимодействии радиоволн с антеннами, а не с атомами, излучение атомных спектров при радио- и микроволновых частотах является современным и мощным орудием для физика и химика. Благодаря большой длине радиоволн их фотоны обладают малой энергией, и следовательно, они возникают за счет переходов между энергетическими уровнями, лежащими очень близко друг к другу. Все щелочные металлы - литий, калий, рубидий и цезий (и натрий.-- Прим. ред.) - имеют пары близколежащих энергетических уровней. Фотоны от переходов между такими парами энергетических уровней находятся в радиочастотной части спектра. В частности, основное состояние элемента цезия представляет собой пару уровней энергии, разделенных примерно 4,14·10-5 электрон-вольтами. Излучение от перехода между такими энергетическими уровнями имеет частоту

υ = 9,19263177·IO9 периодов в секунду.

Эта частота сейчас применяется в качестве стандарта частоты и времени. В продаже имеются часы, работающие непосредственно от источника таких сигналов. Изучение спектра оказалось лучшим ключом к измерению энергетических уровней любого излучающего атома. Но потребовалась большая изобретательность для того, чтобы установить это, и с помощью этих ключей установить уровни энергии. Если известны длины волн спектральных линий, их нужно перевести в частоты, а частоты изучить и увязать друг с другом так, чтобы найти сами энергетические уровни. Каждая спектральная линия дает разность двух уровней энергии, и несколько уровней могут дать довольно сложную совокупность десятков и сотен линий. Таким образом, это не легкое дело. Разобраться в этой сложной картине помогают спектры поглощения, спектры возбуждения при поглощении фотонов, а также другие особые виды спектров возбуждения. Используя все эти возможности, спектроскописты в конце концов представляют свои результаты в виде таблицы или схемы энергетических уровней, принадлежащих изучаемому атому. В результате их трудов были точно установлены многочисленные внутренние энергетические состояния практически для всех видов атомов.