Озерский технологический институт (филиал) МИФИ, Челябинская обл.
Аномалии ионизации атома водорода
Существуют непонятные отклонения от теории энергии ионизации последнего электрона H – Ni водородоподобных ионов.
Широко известна формула Бора для расчета потенциала ионизации I водородоподобных ионов (К-уровней «голых ядер»).
Bor=–Ry×Z2/(1+M/m),
Ry=me4/2ħ2,
Z и e, M и m – заряд и масса ядра и электрона.
На рис. 1 показано относительное отклонение опытных значений энергий ионизации от расчитанных по формуле Бора. Видно, что с ростом заряда отрицательная ошибка возрастает. Это означает, что на самом деле атомы лучше удерживают электроны, нежели им «положено» по Бору. В основном это связано с тем, что у тяжелых ядер электроны движутся быстрее и их масса увеличивается. До ядра 11 (Na) ошибки теории Бора ~ 0,01%, но при увеличении заряда возрастают до ~ 1% для Co и Ni. (И уже здесь видна аномалия F, Ne, Na.)
Как видно на рис. 2 релятивистская теория Дирака в основном устраняет ошибки Бора:
Dir=mc2–RyZ2(1–α2Z2/4).
Учтем и другие поправки:
– сдвиг Лэмба Ry16/3πZ4α3ln(Zα) (<0,1%);
– спиновые Ry8/3α2S(m/М)Z3 (<0,01%);
– квадрупольные RyQa2Z3 (<0,001%);
– на размер ядер RyZ(2r/а)2(7/15+r/6а) (<4 10–5%),
где α=e2/ħc, r=1,12 M1/3 (10–13 см, М, а. е.) S - спин ядра, Q – его квадрупольный момент ( средние по изотопам элемента) a=ħ2/me2.
На рис. 2 видно, что с учетом всех поправок ядра элементов H–O на (0,027±0,002)% хуже удерживают электрон, «чем положено». Эта аномалия намного больше ошибок измерений (<0,01%), которые производят со спектроскопической точностью. А тройка ядер F, Ne, Na «совсем плохо» удерживает электрон. Зато ядра Mg–Fe на »0,01-0,04% сильнее, «чем положено». Эти силы необходимо понять. Особенно у Co и Ni, где наблюдается скачок этой неизвестной силы, противоположный ее провалу у тройки F, Ne, Na.
Сведений о полных потенциалах ионизации элементов тяжелее никеля пока нет, но для известных элементов она мало отличается от глубины залегания К-уровней, в среднем подчиняющихся закону Мозли:
Моз=0,822Ry(Z–1,46+2,6/Z)2(1+0,001Z–5Z2).
На рис. 3 представлена разность Моз–К для всех элементов тяжелее бора. Видно закономерное изменение этой разницы. Здесь тоже выделяются F и Ne. А вот Со и Ni.
|
