физические основы

50

0,25 мм при вводе в эксплуатацию архивного метра до 0,01 мм при вводе в эксплуатацию прототипа метра.

Поэтому еще до принятия в качестве единицы длины прототипа метра были предложения связать единицу длины с длиной светового излучения. Известно, что разреженные пары веществ испускают свет, разложение которого дает линейчатый спектр, состоящий из отдельных цветных линий. Каждая линия спектра соответствует переходу атома из одного состояния в другое. Если энергия атома в одном состоянии Е1, а во втором Е2, то при переходе из одного состояния в другое атом излучает фотон, частота и длина волны которого определяются выражением

c h1 (E2 E1 ) Eh2 Eh1 ,

где - частота излучения; - длина волны излучения; с - скорость света; h - постоянная Планка. Величина Е/h называется спектральным термом.

Состояние атома определяется состоянием и взаимодействием его электронов. Состояние электрона описывается следующими величинами:

1.Энергией, определяемой главным квантовым числом n, принимающим положительные целые значения 1, 2, 3 ...;

2.Квадратом момента импульса, определяемым орбитальным квантовым числом ℓ, принимающим положительные целые значения 0, 1, 2, ..., n-1. В атомной физике для описания состояний с различными значениями ℓ используются следующие названия:

и т.д.

3. Проекцией момента импульса электрона при вращении относительно произвольной оси, проходящей через центр ато-

51

ма, на эту ось, определяемой магнитным квантовым числом, равным

m=0, 1, 2, ..., ℓ;

4. Проекцией спина или собственного момента импульса электрона при вращении относительно произвольной оси, проходящей через центр электрона, на эту ось, определяемой спиновым квантовым числом

s= 1/2.

Совокупность состояний с определенным значением квантовых чисел n и называется оболочкой. Согласно принципу Паули в атоме не может быть двух электронов, находящихся в одинаковом состоянии, т.е. описываемом одним и тем же набором квантовых чисел. Следовательно, в каждой оболочке может находиться 2(2 +1) электронов. Совокупность оболочек с фиксированным квантовым числом n называется слоем. Число электронов, заполняющих слой, равно

Каждый из этих 2n2 электронов имеет одну и ту же энергию. В таком случае говорят, что состояние вырождено. Во внешнем магнитном поле энергетические уровни могут расщепляться. Тогда говорят, что вырождение снимается.

Состояние каждого электрона в атоме указывается сле-

дующим образом. Состояние электрона моментом =0, 1, 2 и т.д. обозначается через соответствующую букву. Главное квантовое число указывается в виде цифры, стоящей впереди. Если несколько электронов находится в состоянии с одинаковыми числами n и , то их число указывается в виде показателя степени. Например, нормальное состояние азота характеризуется выражением

52

1s22s22p3.

Это означает, что 2 электрона находятся в состоянии 1s, 2 - в 2s-состоянии, 3 - в 2p-состоянии.

Однако таких сведений оказывается недостаточно для полного описания состояния атома, так как неизвестно, как сложились орбитальные и спиновые моменты отдельных электронов и каков полный момент атома.

Для атома выполняются законы сохранения энергии, полного момента количества движения и проекции момента количества движения на произвольную ось. Это позволяет выбрать для описания атома в целом следующие величины:

Полный момент атома J; Полный орбитальный момент L; Полный спин атома S.

Обозначение для состояния атомов с различными полными моментами вводятся по аналогии с обозначениями для отдельных электронов, т.е.

L=0 S-состояние

L=1 P-состояние

L=2 D-состояние

L=3 F-состояние.

Величина J указывается в виде индекса справа внизу при символе орбитального момента. Обычно для характеристики атома указывается также величина, равная 2S+1. Она помещается в виде индекса слева сверху от L. Эта величина указывает число близко расположенных уровней атома, составляющих его тонкую структуру. Состояние атома в целом именуется термом. Запишем в качестве примера терм нор-

мального состояния атома азота

4S3/2.

Это означает, что мультиплетность равна 4, L=0 и полный момент равен 3/2.

Наглядно состояние атома представляется в виде схемы термов или схемы энергетических уровней. Рассмотрим схему термов на примере атома натрия (рис. 3). Полная энергия

53

электрона в атоме отрицательна. Свободный электрон обладает положительной энергией.

Вначале заполняются ближайшие к ядру оболочки, т.е. сначала 1s, затем 2s, потом 3p. Эти оболочки называются внутренними. Затем заполняются 3s-оболочка. Для натрия она заполнена наполовину. Это состояние атома натрия называется основным. В нем атом может находиться очень долго.

Под внешним воздействием электрон может переместиться из основного состояния в вышестоящее свободное. В результате этого атом становится возбужденным. Продолжительность пребывания атома в возбужденном состоянии или время жизни на возбужденном уровне энергии ограничено. Атом самопроизвольно возвращается в основное состояние, испуская при этом фотон. Длина волны этого фотона зависит от того, какой электрон возбудился.

54

Если при внешнем воздействии был выбит электрон из внутренней оболочки, допустим, из 1s-состояния, то на его место перейдет электрон из 2p-состояния, испуская при этом фотон рентгеновского характеристического излучения (в данном случае К -излучения). Поэтому переходы электронов с внешней орбиты на внутренние еще называют рентгеновскими.

Переходы электронов между уровнями возбужденного состояния или с уровня возбужденного состояния на внешний уровень основного состояния сопровождаются видимым или инфракрасным излучением. В частности, для натрия отчетливой линией является дублет желтых линий, который возникает при переходах 3p 3s. Длина волн дублета составляет 589,6 и 589,0 нм. Дублет появляется потому, что взаимодействие магнитного момента, связанного со спином электрона, с магнитным моментом, связанным с орбитальным движением электрона, приводит к расщеплению уровней с p- и выше состояниями. В результате наблюдается тонкая структура спектра излучения. Так как эти переходы сопровождаются излучением видимого света, то они получили название оптических переходов.

Из всего вышеизложенного следует, что длины волн спектральных линий подчиняются строгим закономерностям и при определенных условиях остаются постоянными. Поэтому некоторое число длин волн, соответствующих какойнибудь спектральной линии, может быть принято за естественный эталон длины.

Для сопоставления метра с длиной волны светового излучения французскими учеными были разработаны интерференционные методы, основанные на использовании интерференции света. Интерференция света - это явление, возникающее при сложении световых волн в пространстве и состоящее

втом, что интенсивность результатирующей световой волны

вразличных точках пространства может быть больше или меньше суммы их интенсивностей.

55

Согласно волновой теории световые колебания в некоторой точке пространства описываются выражением:

где А - амплитуда волны; - длина волны; с - скорость света; R - расстояние от источника света до точки наблюдения.

Интерференция возникает при условии, что взаимодействующие волны имеют одинаковую волну и не зависящий от времени сдвиг фаз в каждой точке пространства. Тогда суммарное поле равно

Оно будет равно нулю в некоторой точке, если для этой точки выполняется условие:

где m=1, 2, 3, 4 ... , или

R2 R1 (2m 1) 2 .

Это выражение означает, что разность хода между двумя ближайшими минимумами интенсивности света равна половине длины волны.

Интерференция наблюдается только для определенных типов волн, называемых когерентными, т.е. имеющих одинаковую длину волны и постоянную разность фаз. Для обычных источников света условие когерентности не выполняется из-за того, что разность фаз хаотически меняется.

Когерентные световые волны можно получить, разделяя при помощи оптического устройства волну, идущую от одного источника света, на две волны, идущие по разным направлениям. Если эти волны пройдут различные пути, а затем бу-

56

дут снова сведены и наложены друг на друга, то получится интерференционная картина.

Интерференционная картина от двух точечных источников света имеет вид:

а) чередующихся светлых и темных полос в плоскости, параллельной прямой, проходящей через источники. Ширина полосы, или расстояние между серединами двух соседних полос, равна

b L , a

где - длина волны; L - расстояние от экрана до источников; а - расстояние между источниками;

б) чередующихся светлых и темных колец в плоскости перпендикулярной прямой, проходящей через источники.

Методы получения когерентных пучков в интерферометрах разнообразны, и поэтому существует большое число различных конструкций интерферометров. Однако все они по числу интерферирующих пучков света делятся на двухлучевые и многолучевые.

Рассмотрим конструкции двух из них, созданные первоначально для количественного представления метра через длину волны светового излучения. В двухлучевом интерферометре Майкельсона (рис. 4) пучок света от возможно более монохроматического источника ИС попадает на разделительную пластину Р, покрытую с одной стороны полупрозрачным металлическим слоем, и раздваивается. Луч 1 идет к зеркалу З1, отражается и, пройдя разделительную пластинку Р, попадает в зрительную трубу ЗТ. Луч 2 проходит к зеркалу З2, отражается им на разделительной пластине Р и также поступает в трубу ЗТ. Так как луч 1 проходит через пластину трижды, а луч 2 - один раз, то на его пути ставится пластина К, подобная разделительной, компенсирующая эту разность хода. В зрительную трубу ЗТ можно наблюдать интерференционную картину.

58

ший впоследствии название интерферометра Фабри-Перо (ИФП). Этот интерферометр состоит из двух строго плоскопараллельных стеклянных пластин, поверхности которых имеют зеркальные покрытия с высоким коэффициентом отражения. Внешние поверхности этих пластин наклонены под небольшим углом (порядка 0,10 ) к внутренним поверхностям, чтобы отражения от них уводились в сторону и не смешивались с лучами, отраженными от внутренних поверхностей. При освещении интерферометра широким пучком, в результате многократного отражения от зеркал, образуется большое число параллельных когерентных пучков с постоянной разностью хода между пучками. В результате многолучевой интерференции наблюдается система дифракционных колец. Расстояние между отражающими пластинами можно измерить с высокой точностью.

И, хотя ИФП пригоден для измерения расстояния не более 100 мм, с его помощью можно измерить расстояния, отличающиеся от исходного приблизительно в целое число раз. Поэтому Фабри и Перо для подсчета количества длин волн красной линии кадмии в метре воспользовались системой ИФП. Был взят ИФП с длиной h=6,25 см, а другой такой же был расположен на расстоянии 2h=12,5 см от него. Получилась новая интерференционная система, допускающая точную юстировку расстояния. Далее она наращивается ИФП, находящимся на расстоянии 4h=25 см и т.д. до 1 м.

Таким образом, в течение нескольких лет были проведены промеры красной линии кадмия. В результате этих измерений было получено, что на метре укладывается 1 553 164,13 длин волн в воздухе при 15 0С с содержанием СО2 порядка 0,03 %. В 1927 году это значение было допущено в качестве стандарта метра наряду с прототипом, поскольку погрешность этих промеров была порядка 10-7 , т.е. приблизительно равной погрешности воспроизведения метра прототипом.

Стандарт метра по излучению кадмия оказался не точнее прототипа метра из-за того, что спектральные линии не

59

являются строго монохроматическими, т.е. каждая линия содержит не одну длину волны , а некоторый интервал длин волн вблизи длины волны . Иначе говоря, каждая спектральная линия обладает некоторой шириной. Ясно, что чем меньше интервал линии, тем она уже, тем точнее можно определить длину волны данной линии. Поэтому в качестве эталона длины выгоднее брать длину волны, соответствующую узкой спектральной линии.

Согласно теоретическим оценкам, построенным на соотношении неопределенности

E h ,

где E - размытие энергетического уровня возбужденного состояния; 10-8 с - время нахождения атома в возбужденном состоянии, размытие энергетического терма равно

что соответствует 10-14 м.

Наблюдаемую ширину линии на 7 порядков шире обуславливают следующие причины:

1.Наличие тонкой структуры спектра, когда уровень из-за магнитного взаимодействия расщепляется на несколько подуровней.

2.Доплеровское уширение линии, обусловленное движением излучающих атомов. Измерение частоты излучения движущимся атомом определяется выражением

где 0 - частота излучения неподвижного атома; vа - скорость движения атома; с - скорость света. Доплеровская ширина линии определяется выражением

7,2 10 7 MT ,