Білоруський державний університет інформатики і радіоелектроніки
Кафедра ЕТТ
РЕФЕРАТ
На тему:
«Порушення, іонізація і відхиляється напруга атома. Схеми енергоуровней »
МІНСЬК, 2008
1. Будова атома
Відповідно до моделі Бора, яка ще мало змінилася до теперішнього часу, атом складається з ядра дуже малого розміру (діаметр його дорівнює приблизно 10 -12 см) і негативно зарядженої електронної оболонки. У ядрі зосереджено більш як 99,9% всієї маси частинки. Позитивний заряд ядра атома містить збільшений в ціле число разів елементарний заряд (e = 1,6 * 10 -19 а * сек); при цьому заряд ядра змінюється від одного елементарного заряду (у першого з відомих елементів) до 105 елементарних зарядів у останнього 105 -го елемента. Тому що атоми по відношенню до зовнішнього простору виявляються нейтральними, то число елементарних зарядів ядра дорівнює числу електронів оболонки атома.
Утворення вільних електронів досягається звільненням їх з електронної оболонки атома. Електрони оточують ядро атома не хаотично, а згідно з визначеним законом, саме вони закономірно розподілені за системою «оболонок», кількість яких доходить до 7 (таких оболонок у Н - одна; у Ar - 3 [рис.1], у Hg - 6 і у U - 7); ці оболонки при переході від внутрішніх до зовнішніх позначаються літерами від К до Q (K-, L-, М-оболонки і т. д.). У поняття «електронні оболонки» вкладається також енергетичний сенс; позначення різних електронних оболонок є одночасно символами для позначення можливих енергетичних станів електронів в атомі. Ця модель дає лише дуже грубе уявлення про дійсні взаємозв'язках, що мають місце в атомі, оскільки окремі енергетичні рівні в свою чергу поділяються на підрівні, досить близько розташовані один від друга.Такім чином, кожен електрон даного атома в кожній оболонці володіє певною потенціальною енергією Е п. Величина енергії зростає із збільшенням радіуса оболонки (тобто в міру віддалення від ядра): спочатку швидко, потім повільніше і, нарешті, наближається до деякої граничної величини, відповідної енергії вільного електрона, який покинув атом.
Якщо атому повідомити деяку кількість енергії ззовні, то електрони можуть подолати сили тяжіння ядра та перейти з внутрішніх оболонок на зовнішні з більш високою потенційною енергією, які залишаються не зайнятими, якщо до атома не підводить ззовні додаткова енергія. У цьому випадку атом не знаходиться більше в нормальному стані, його стан буде тепер збудженим. У збудженому стані атом знаходиться лише дуже короткий проміжок часу; через 10 -8 - 10 -9 секунди всі перейшли на зовнішні оболонки електрони переходять назад на нормальні для них рівні або навіть на нижче розташовані рівні з меншою потенціальною енергією. Віддається електронами при цьому енергія виділяється у вигляді електромагнітного випромінювання. Відповідно до закону збереження енергії кожен перехід електрона супроводжується випусканням фотона. Енергія фотона hv (h - постійна Планка, v - частота випускається світла) повинна бути дорівнює різниці E 1 - Е 2 енергій електрона до і після переходу з одного рівня на інший:
Рис. 1. Енергетичні рівні вільного ізольованого атома (Ar) і можливі процеси переходу електронів при зіткненні.
1 - випускання кванта світла (з енергією hv), 2 - емісія електрона з K-оболонки при зіткненні з частинками; 3 - перехід електрона з L-оболонки на K-оболонку з одночасним випусканням рентгенівського кванта (в результаті віддачі енергії); 4 - випускання рентгенівського кванта; 5 - збуджені рівні електронів на зовнішній електронній оболонці; 6 - зіткнення з частинками з енергією в кілька ев; 7 - зіткнення з частинками з енергією в кілька сот кев (наприклад, з електронами або квантами рентгенівського випромінювання).
Таким чином, у вільному атомі можливі тільки цілком певні енергетичні рівні Е 1, Е 2, ..., Е n; всі інші енергетичні стану заборонені. Тому поглинання випромінювання або його випускання можливо тільки при цілком певних частотах або відповідно при певних довжинах хвиль. Звідси ясно походження лінійного спектра випромінювання або поглинання атома.
Різниця енергій електронів, що знаходяться в двох сусідніх оболонках атома, зменшується зі збільшенням радіуса оболонок. Тому в тому випадку, якщо перехід електрона відбувається між двома віддаленими від ядра оболонками (зайнятими або вільними), то спектральні лінії виник випромінювання лежать в інфрачервоній, видимій або ультрафіолетовій областях спектру («оптичний спектр») з відносно малою енергією квантів світла. Якщо ж перехід здійснюється між внутрішніми, близько розташованими до ядра оболонками, то відбувається випущення випромінювання, що лежить в рентгенівській області спектру, зі значно більшою енергією квантів. Тому близькі до ядра оболонки К, L і М називають також рентгенівськими рівнями.
Атоми різних елементів відрізняються лише тим, що зі збільшенням заряду ядра все більше число дозволених енергетичних рівнів (оболонок) виявляється зайнятим електронами. При цьому в першу чергу заповнюються оболонки, розташовані поблизу ядра атома. Для кожної оболонки існує цілком визначене максимально можливе число заповнюють її електронів.
Випущення електронів з внутрішніх оболонок відбувається лише в тому випадку, якщо атому передається більша за величиною енергія, оскільки електрони внутрішніх оболонок знаходяться під дією значних сил тяжіння з боку атомного ядра. Необхідна для випускання електронів зовнішньої оболонки атомів (званих також валентними електронами) енергія навпаки невелика, тому що сили тяжіння їх до ядра не настільки значні в порівнянні з внутрішніми електронами. Для інертних газів, зовнішня оболонка яких повністю зайнята електронами, потрібна велика витрата енергії на випускання електронів, ніж у елементів з частково заповненими зовнішніми оболонками.
2. Процеси зіткнень
Порушення і іонізація. При зіткненні з іншими частками атом може бути збуджений або ионизована (1). Можливі такі зіткнення: зіткнення з електронами або іонами, зіткнення з атомами того ж або іншого газу, «зіткнення» з фотонами і γ-квантами. Відповідно до цього розрізняють електричне, теплове та оптичне збудження (або відповідно іонізацію).
Найменша величина енергії, необхідна для переходу найбільш слабко зв'язаного електрона валентної оболонки на наступну більш віддалену, незайняту (потенційно існуючу) оболонку, називається «мінімальної енергією збудження» Е 'в = eU' у, де U 'в - мінімальний потенціал збудження. Найменша енергія, яка необхідна для повного звільнення (випускання) найбільш слабко зв'язаного електрона валентної оболонки, називається енергією іонізації даного атома: Е i = е U i. Потенціалом іонізації U i називається різниця потенціалів, яку повинен пройти електрон, щоб при зіткненні ионизованного атом.
Аналогічне визначення можна застосувати і для потенціалу збудження. Величина втрати швидкості вдаряє частинкою може бути отримана з наступного рівняння, що виражає закон збереження енергії:
де М, вт * сек 3 / см 2 - маса; v 0, см / сек - початкова швидкість; v, см / сек - кінцева швидкість вдаряє частинки; eU, вт * сек - енергія, що перейшла від вдаряє частки до наголошеної.
При швидкості v = 0 маємо такий вираз для мінімальної швидкості електрона (М = m), необхідної для іонізації атомів:
0 <U <U 'в (пружне зіткнення); U' у ≤ U <U i (збудження); U i ≤ U (іонізація).
Потенціал U в рівний за порядком величини 1-20 в (потенціал іонізації U i при одноразовому іонізації дорівнює 4 ... 25 в). Це означає, що на електронну оболонку атома зможуть вплинути навіть ті частинки, які пройшли різниця потенціалів всього в декілька вольт. Тим часом для зміни структури ядра атом потрібно бомбардувати частинками, які мають енергію, що дорівнює по порядку величини від 10 6 до 10 жовтня ев. Такі процеси також відіграють, відому роль в електроніці, зокрема в потужних прискорювачах частинок.
Визначення потенціалів іонізації і збудження газів методом електронної спектроскопії. Потенціали іонізації і збудження газів можна визначати, зокрема, наступним чином 1: електрони з енергією в 70 ев пропускаються через інертний газ (наприклад, гелій), після чого аналізуються їх швидкості (рис.2 , а).
Частина електронів не втрачає своєї енергії при зіткненні з атомами гелію (пружні удари), інша частина електронів втрачає приблизно 20 ев на порушення і 25 ев на іонізацію атомів. Такий квантованих процес втрати енергії електронів викликає при відхиленні електронного променя поряд з основним максимумом струму в ланцюзі колекторного електрода поява ще двох інших максимумів (рис. 2, б), обумовлених втратою енергії електронами, внаслідок порушення та іонізації атомів ними. Значення U i і U у можуть бути отримані, якщо відомо отклоняющее напругу, необхідну для спостереження максимуму струму. В електричному полі величина відхилення у, при малих кутах відхилення дорівнює (рис.2, а):
Звідси випливає, що
U i або
де l, см, - довжина пластин, що відхиляють; d, см, - відстань між пластинами; z, см - відстань від центру відхиляють пластин до колектора; U б, в, - прискорює напруга; U D 0 - U 0, в, - отклоняющее напруга; U б - U i, в, - вольт-еквівалент енергії електронів після зіткнення з атомом газу, що викликають його іонізацію або збудження.
А) б)
Рис. 3. Експериментальний прилад (а) і дані вимірювань (б) для визначення потенціалів іонізації і збудження газів методом електронної спектроскопії.
Ui - потенціал іонізації гелію (≈ 25 в); U `в - мінімальний потенціал збудження гелію (≈ 20 в);
1 - впуск газу; 2 - простір зіткнень р = - 10 -3 мм рт. ст.; 3 - електронний промінь; 4 - до насоса, 5 - діафрагма з щілиною; 6 - іонізація; 7 - збудження.
Отклоняющее напруга
Для гелію (що має 2 електрони в першій двухелектронной К-оболонці) потенціал іонізації дорівнює U i = 24,5 в; для водню (має один електрон в K-оболонці, що володіє міцним зв'язком з ядром, завдяки близькому розташуванню від ядра) U i = 13,5 в; для барію (що має два електрони в першій оболонці, 8 електронів в другій, по 18 електронів в третій і четвертій і по 8 електронів в п'ятій і шостій оболонках) U i = 5,2 у.
Ці дані відносяться до однократному (простому) процесу іонізації, тобто до процесу випускання одного, найбільш слабкозв'язаного (першого) електрона зовнішньої оболонки. Цей же електрон при порушенні атома перший переходить на більш високий енергетичний рівень, при поверненні його (зворотному переході) на колишню орбіту відбувається випромінювання світла. Тому його називають інакше «оптичним» електроном.
3. Схема енергетичних рівнів
Схема можливих енергетичних станів атома газу. Можливі енергетичні стани електронної оболонки атома можна зобразити за допомогою досить простої діаграми; при цьому по осі ординат відкладається енергія електрона, а сферичні електронні оболонки зображуються прямими лініями.
На рис. 4 показано освіта схеми рівнів з окремими енергетичними станами електронів.
В якості нульового рівня доцільно вибрати зовнішню електронну оболонку, тобто енергетичний стан оптичного електрона збудженого атома («основний стан»). Вище від нього розташовані збуджені рівні, а нижче - рентгенівські енергетичні рівні (рентгенівські терми). Заштрихована область на рис.4 представляє собою область безперервного спектру енергії. Якщо оптичний електрон досягне цієї енергетичної галузі, то він стає вільним і подальша передача йому енергії призводить лише до збільшення його кінетичної енергії.
Рис. 4. Схема дозволених енергетичних рівнів атома газу.
1 - основний рівень «оптичного» електрона (валентна оболонка), 2 - рівень вакууму; 3 - енергія випромінюваного кванта світла.
У схемі термів атома (наприклад, атома ртуті на рис.5) основне і іонізоване стану, так само як дозволені (можливі) порушені стану, позначені горизонтальними лініями. Різниця енергій на схемі переходів енергетичної діаграми виражена в електрон-вольтах (ліва вісь ординат) або у хвильових числах ω = l / λ = v / c, см -1 (права вісь ординат). Верхня межа схеми відповідає потенціалу іонізації U i. Косими лініями зображені можливі переходи між різними рівнями; при цьому жирними лініями позначені найбільш часто зустрічаються переходи, тонкими - рідко зустрічаються квантові переходи. Числа відносяться до довжин хвиль випускається випромінювання (наприклад, 2536 Е) при цьому переході електрона.
Схема термів атома ртуті на рис.5 розділена на дві частини: на синглетні і триплетні терми. Якщо перші виникають тільки як окремі (одиничні) терми (наприклад, 2 S), то другі групуються по три поруч лежачих рівня (наприклад, 2 p 1, 2 p 2, 2 p 3). Така мультиплетной має місце у тих атомів, які володіють більш ніж одним валентним електроном. У результаті цього в таких атомах при підведенні однієї і тієї ж величини енергії ймовірність порушення кількох валентних електронів більше, ніж збудження одного оптичного електрона. Подальше розщеплення термів на S-, Р-, D - і F-терми виникає внаслідок електростатичної впливу на оптичний електрон з боку атомнго кістяка.
Схема енергетичних рівнів атомного ядра. Не всі схеми енергетичних рівнів будуються на основі борівської моделі електронних оболонок. У ядерній фізиці використовують також схеми енергетичних рівнів, як наочний спосіб представлення енергетичного спектру радіоактивного розпаду певного радіоактивного елемента. Таку схему енергетичних рівнів ядра можна побудувати, якщо прийняти, що нуклони (протони і нейтрони) розташовані на певних енергетичних рівнях (рис. 6).
При α-, β - або γ-розпад «порушену» ядро переходить на нижчий енергетичний рівень або на основний рівень ядра, який відповідає останньому елементу даного радіоактивного ряду. Наприклад, при розпаді RаС велика частина експериментально знайдених енергетичних рівнів викликані γ-випромінюванням, а деякі з них зумовлені випусканням β - і α-частинок (рис.6).
Рис. 5. Схема рівнів і лінійчатий спектр атомів ртуті.
Рис.6. Схема рівнів для розпаду RаС à RаС '.
Література
1. Достанко А.П. Технологія інтегральних схем.-Мн: Вишейшая школа, 2002 - - 206 с.
2. Гурський Л.І., Степанець В.Я. Проектування мікросхем.-Мн.: Навука i технiка, 2001 - - 295 с.
3. Гурський Л.І., Зеленін В.О., Жебін А.П., Вахрін Г.Л. Структура, топологія і властивості плівкових резісторов.-Мн.: Навука i технiка, 2007 - - 250 с.
Кафедра ЕТТ
РЕФЕРАТ
На тему:
«Порушення, іонізація і відхиляється напруга атома. Схеми енергоуровней »
МІНСЬК, 2008
1. Будова атома
Відповідно до моделі Бора, яка ще мало змінилася до теперішнього часу, атом складається з ядра дуже малого розміру (діаметр його дорівнює приблизно 10 -12 см) і негативно зарядженої електронної оболонки. У ядрі зосереджено більш як 99,9% всієї маси частинки. Позитивний заряд ядра атома містить збільшений в ціле число разів елементарний заряд (e = 1,6 * 10 -19 а * сек); при цьому заряд ядра змінюється від одного елементарного заряду (у першого з відомих елементів) до 105 елементарних зарядів у останнього 105 -го елемента. Тому що атоми по відношенню до зовнішнього простору виявляються нейтральними, то число елементарних зарядів ядра дорівнює числу електронів оболонки атома.
Утворення вільних електронів досягається звільненням їх з електронної оболонки атома. Електрони оточують ядро атома не хаотично, а згідно з визначеним законом, саме вони закономірно розподілені за системою «оболонок», кількість яких доходить до 7 (таких оболонок у Н - одна; у Ar - 3 [рис.1], у Hg - 6 і у U - 7); ці оболонки при переході від внутрішніх до зовнішніх позначаються літерами від К до Q (K-, L-, М-оболонки і т. д.). У поняття «електронні оболонки» вкладається також енергетичний сенс; позначення різних електронних оболонок є одночасно символами для позначення можливих енергетичних станів електронів в атомі. Ця модель дає лише дуже грубе уявлення про дійсні взаємозв'язках, що мають місце в атомі, оскільки окремі енергетичні рівні в свою чергу поділяються на підрівні, досить близько розташовані один від друга.Такім чином, кожен електрон даного атома в кожній оболонці володіє певною потенціальною енергією Е п. Величина енергії зростає із збільшенням радіуса оболонки (тобто в міру віддалення від ядра): спочатку швидко, потім повільніше і, нарешті, наближається до деякої граничної величини, відповідної енергії вільного електрона, який покинув атом.
Якщо атому повідомити деяку кількість енергії ззовні, то електрони можуть подолати сили тяжіння ядра та перейти з внутрішніх оболонок на зовнішні з більш високою потенційною енергією, які залишаються не зайнятими, якщо до атома не підводить ззовні додаткова енергія. У цьому випадку атом не знаходиться більше в нормальному стані, його стан буде тепер збудженим. У збудженому стані атом знаходиться лише дуже короткий проміжок часу; через 10 -8 - 10 -9 секунди всі перейшли на зовнішні оболонки електрони переходять назад на нормальні для них рівні або навіть на нижче розташовані рівні з меншою потенціальною енергією. Віддається електронами при цьому енергія виділяється у вигляді електромагнітного випромінювання. Відповідно до закону збереження енергії кожен перехід електрона супроводжується випусканням фотона. Енергія фотона hv (h - постійна Планка, v - частота випускається світла) повинна бути дорівнює різниці E 1 - Е 2 енергій електрона до і після переходу з одного рівня на інший:
Рис. 1. Енергетичні рівні вільного ізольованого атома (Ar) і можливі процеси переходу електронів при зіткненні.
1 - випускання кванта світла (з енергією hv), 2 - емісія електрона з K-оболонки при зіткненні з частинками; 3 - перехід електрона з L-оболонки на K-оболонку з одночасним випусканням рентгенівського кванта (в результаті віддачі енергії); 4 - випускання рентгенівського кванта; 5 - збуджені рівні електронів на зовнішній електронній оболонці; 6 - зіткнення з частинками з енергією в кілька ев; 7 - зіткнення з частинками з енергією в кілька сот кев (наприклад, з електронами або квантами рентгенівського випромінювання).
Таким чином, у вільному атомі можливі тільки цілком певні енергетичні рівні Е 1, Е 2, ..., Е n; всі інші енергетичні стану заборонені. Тому поглинання випромінювання або його випускання можливо тільки при цілком певних частотах або відповідно при певних довжинах хвиль. Звідси ясно походження лінійного спектра випромінювання або поглинання атома.
Різниця енергій електронів, що знаходяться в двох сусідніх оболонках атома, зменшується зі збільшенням радіуса оболонок. Тому в тому випадку, якщо перехід електрона відбувається між двома віддаленими від ядра оболонками (зайнятими або вільними), то спектральні лінії виник випромінювання лежать в інфрачервоній, видимій або ультрафіолетовій областях спектру («оптичний спектр») з відносно малою енергією квантів світла. Якщо ж перехід здійснюється між внутрішніми, близько розташованими до ядра оболонками, то відбувається випущення випромінювання, що лежить в рентгенівській області спектру, зі значно більшою енергією квантів. Тому близькі до ядра оболонки К, L і М називають також рентгенівськими рівнями.
Атоми різних елементів відрізняються лише тим, що зі збільшенням заряду ядра все більше число дозволених енергетичних рівнів (оболонок) виявляється зайнятим електронами. При цьому в першу чергу заповнюються оболонки, розташовані поблизу ядра атома. Для кожної оболонки існує цілком визначене максимально можливе число заповнюють її електронів.
Випущення електронів з внутрішніх оболонок відбувається лише в тому випадку, якщо атому передається більша за величиною енергія, оскільки електрони внутрішніх оболонок знаходяться під дією значних сил тяжіння з боку атомного ядра. Необхідна для випускання електронів зовнішньої оболонки атомів (званих також валентними електронами) енергія навпаки невелика, тому що сили тяжіння їх до ядра не настільки значні в порівнянні з внутрішніми електронами. Для інертних газів, зовнішня оболонка яких повністю зайнята електронами, потрібна велика витрата енергії на випускання електронів, ніж у елементів з частково заповненими зовнішніми оболонками.
2. Процеси зіткнень
Порушення і іонізація. При зіткненні з іншими частками атом може бути збуджений або ионизована (1). Можливі такі зіткнення: зіткнення з електронами або іонами, зіткнення з атомами того ж або іншого газу, «зіткнення» з фотонами і γ-квантами. Відповідно до цього розрізняють електричне, теплове та оптичне збудження (або відповідно іонізацію).
Найменша величина енергії, необхідна для переходу найбільш слабко зв'язаного електрона валентної оболонки на наступну більш віддалену, незайняту (потенційно існуючу) оболонку, називається «мінімальної енергією збудження» Е 'в = eU' у, де U 'в - мінімальний потенціал збудження. Найменша енергія, яка необхідна для повного звільнення (випускання) найбільш слабко зв'язаного електрона валентної оболонки, називається енергією іонізації даного атома: Е i = е U i. Потенціалом іонізації U i називається різниця потенціалів, яку повинен пройти електрон, щоб при зіткненні ионизованного атом.
Аналогічне визначення можна застосувати і для потенціалу збудження. Величина втрати швидкості вдаряє частинкою може бути отримана з наступного рівняння, що виражає закон збереження енергії:
де М, вт * сек 3 / см 2 - маса; v 0, см / сек - початкова швидкість; v, см / сек - кінцева швидкість вдаряє частинки; eU, вт * сек - енергія, що перейшла від вдаряє частки до наголошеної.
При швидкості v = 0 маємо такий вираз для мінімальної швидкості електрона (М = m), необхідної для іонізації атомів:
0 <U <U 'в (пружне зіткнення); U' у ≤ U <U i (збудження); U i ≤ U (іонізація).
Потенціал U в рівний за порядком величини 1-20 в (потенціал іонізації U i при одноразовому іонізації дорівнює 4 ... 25 в). Це означає, що на електронну оболонку атома зможуть вплинути навіть ті частинки, які пройшли різниця потенціалів всього в декілька вольт. Тим часом для зміни структури ядра атом потрібно бомбардувати частинками, які мають енергію, що дорівнює по порядку величини від 10 6 до 10 жовтня ев. Такі процеси також відіграють, відому роль в електроніці, зокрема в потужних прискорювачах частинок.
Визначення потенціалів іонізації і збудження газів методом електронної спектроскопії. Потенціали іонізації і збудження газів можна визначати, зокрема, наступним чином 1: електрони з енергією в 70 ев пропускаються через інертний газ (наприклад, гелій), після чого аналізуються їх швидкості (рис.2 , а).
Частина електронів не втрачає своєї енергії при зіткненні з атомами гелію (пружні удари), інша частина електронів втрачає приблизно 20 ев на порушення і 25 ев на іонізацію атомів. Такий квантованих процес втрати енергії електронів викликає при відхиленні електронного променя поряд з основним максимумом струму в ланцюзі колекторного електрода поява ще двох інших максимумів (рис. 2, б), обумовлених втратою енергії електронами, внаслідок порушення та іонізації атомів ними. Значення U i і U у можуть бути отримані, якщо відомо отклоняющее напругу, необхідну для спостереження максимуму струму. В електричному полі величина відхилення у, при малих кутах відхилення дорівнює (рис.2, а):
Звідси випливає, що
U i або
де l, см, - довжина пластин, що відхиляють; d, см, - відстань між пластинами; z, см - відстань від центру відхиляють пластин до колектора; U б, в, - прискорює напруга; U D 0 - U 0, в, - отклоняющее напруга; U б - U i, в, - вольт-еквівалент енергії електронів після зіткнення з атомом газу, що викликають його іонізацію або збудження.
А) б)
Рис. 3. Експериментальний прилад (а) і дані вимірювань (б) для визначення потенціалів іонізації і збудження газів методом електронної спектроскопії.
Ui - потенціал іонізації гелію (≈ 25 в); U `в - мінімальний потенціал збудження гелію (≈ 20 в);
1 - впуск газу; 2 - простір зіткнень р = - 10 -3 мм рт. ст.; 3 - електронний промінь; 4 - до насоса, 5 - діафрагма з щілиною; 6 - іонізація; 7 - збудження.
Отклоняющее напруга
Для гелію (що має 2 електрони в першій двухелектронной К-оболонці) потенціал іонізації дорівнює U i = 24,5 в; для водню (має один електрон в K-оболонці, що володіє міцним зв'язком з ядром, завдяки близькому розташуванню від ядра) U i = 13,5 в; для барію (що має два електрони в першій оболонці, 8 електронів в другій, по 18 електронів в третій і четвертій і по 8 електронів в п'ятій і шостій оболонках) U i = 5,2 у.
Ці дані відносяться до однократному (простому) процесу іонізації, тобто до процесу випускання одного, найбільш слабкозв'язаного (першого) електрона зовнішньої оболонки. Цей же електрон при порушенні атома перший переходить на більш високий енергетичний рівень, при поверненні його (зворотному переході) на колишню орбіту відбувається випромінювання світла. Тому його називають інакше «оптичним» електроном.
3. Схема енергетичних рівнів
Схема можливих енергетичних станів атома газу. Можливі енергетичні стани електронної оболонки атома можна зобразити за допомогою досить простої діаграми; при цьому по осі ординат відкладається енергія електрона, а сферичні електронні оболонки зображуються прямими лініями.
На рис. 4 показано освіта схеми рівнів з окремими енергетичними станами електронів.
В якості нульового рівня доцільно вибрати зовнішню електронну оболонку, тобто енергетичний стан оптичного електрона збудженого атома («основний стан»). Вище від нього розташовані збуджені рівні, а нижче - рентгенівські енергетичні рівні (рентгенівські терми). Заштрихована область на рис.4 представляє собою область безперервного спектру енергії. Якщо оптичний електрон досягне цієї енергетичної галузі, то він стає вільним і подальша передача йому енергії призводить лише до збільшення його кінетичної енергії.
Рис. 4. Схема дозволених енергетичних рівнів атома газу.
1 - основний рівень «оптичного» електрона (валентна оболонка), 2 - рівень вакууму; 3 - енергія випромінюваного кванта світла.
У схемі термів атома (наприклад, атома ртуті на рис.5) основне і іонізоване стану, так само як дозволені (можливі) порушені стану, позначені горизонтальними лініями. Різниця енергій на схемі переходів енергетичної діаграми виражена в електрон-вольтах (ліва вісь ординат) або у хвильових числах ω = l / λ = v / c, см -1 (права вісь ординат). Верхня межа схеми відповідає потенціалу іонізації U i. Косими лініями зображені можливі переходи між різними рівнями; при цьому жирними лініями позначені найбільш часто зустрічаються переходи, тонкими - рідко зустрічаються квантові переходи. Числа відносяться до довжин хвиль випускається випромінювання (наприклад, 2536 Е) при цьому переході електрона.
Схема термів атома ртуті на рис.5 розділена на дві частини: на синглетні і триплетні терми. Якщо перші виникають тільки як окремі (одиничні) терми (наприклад, 2 S), то другі групуються по три поруч лежачих рівня (наприклад, 2 p 1, 2 p 2, 2 p 3). Така мультиплетной має місце у тих атомів, які володіють більш ніж одним валентним електроном. У результаті цього в таких атомах при підведенні однієї і тієї ж величини енергії ймовірність порушення кількох валентних електронів більше, ніж збудження одного оптичного електрона. Подальше розщеплення термів на S-, Р-, D - і F-терми виникає внаслідок електростатичної впливу на оптичний електрон з боку атомнго кістяка.
Схема енергетичних рівнів атомного ядра. Не всі схеми енергетичних рівнів будуються на основі борівської моделі електронних оболонок. У ядерній фізиці використовують також схеми енергетичних рівнів, як наочний спосіб представлення енергетичного спектру радіоактивного розпаду певного радіоактивного елемента. Таку схему енергетичних рівнів ядра можна побудувати, якщо прийняти, що нуклони (протони і нейтрони) розташовані на певних енергетичних рівнях (рис. 6).
При α-, β - або γ-розпад «порушену» ядро переходить на нижчий енергетичний рівень або на основний рівень ядра, який відповідає останньому елементу даного радіоактивного ряду. Наприклад, при розпаді RаС велика частина експериментально знайдених енергетичних рівнів викликані γ-випромінюванням, а деякі з них зумовлені випусканням β - і α-частинок (рис.6).
Рис. 5. Схема рівнів і лінійчатий спектр атомів ртуті.
Рис.6. Схема рівнів для розпаду RаС à RаС '.
Література
1. Достанко А.П. Технологія інтегральних схем.-Мн: Вишейшая школа, 2002 - - 206 с.
2. Гурський Л.І., Степанець В.Я. Проектування мікросхем.-Мн.: Навука i технiка, 2001 - - 295 с.
3. Гурський Л.І., Зеленін В.О., Жебін А.П., Вахрін Г.Л. Структура, топологія і властивості плівкових резісторов.-Мн.: Навука i технiка, 2007 - - 250 с.