Готовая лабораторная работа №54 (Описание работы №54)

Посмотреть архив целиком


ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 54

Изучение спектра излучения атома водорода в газовом разряде

Цель работы наблюдение и идентификация спектра спонтанного излучения, возбужденного электрическим разрядом в водороде при низком давлении; измерение длин волн линий серии Бальмера атомарного водорода в видимой части спектра; определение постоянной Ридберга.

1. Теоретические основы работы

Характеристика излучения, выражающая его частотный (спектральный) состав называется спектром излучения. Спектры излучения и поглощения атомов являются линейчатыми. Они состоят из отдельных спектральных линий – узких пиков интенсивности излучения. Кроме того, линии в спектре атомов располагаются не беспорядочно, а образуют строго определенные группы, которые принято называть сериями. Положение спектральных линий в спектре обычно определяется длиной волны либо частотой. Это означает, что атомы способны излучать и поглощать свет только определенных, присущих данным атомам, длин волн. Закономерности атомных спектров могут быть объяснены только на основе квантовых представлений, как о свете, так и в поведении атомных систем.

В соответствии с квантовыми (корпускулярными) представлениями

свет существует в виде потока "световых частиц" - фотонов, энергия E которых определяется выражением

, (1)

где - постоянная Планка, ω, с-1 - циклическая частота.

Фотоны рождаются (излучаются) и исчезают (поглощаются) только как целое. Излучение или поглощение фотона атомом приводит соответственно к уменьшению или увеличению энергии атома на величину .

Дискретность энергии является важнейшим свойством любой квантовой системы, состоящей из взаимодействующих между собой микрочастиц, например, атома, в котором ядро и электроны связаны электрическими силами. Эти дискретные значения энергии Еn называются энергетическими уровнями. Простейшим атомом является атом водорода. Он состоит из протона (ядра) и электрона; заряды протона и электрона численно равны, но имеют противоположные знаки. В первом приближении можно считать, что протон неподвижен, а электрон движется вокруг него (масса протона в 1836 раз больше массы электрона). Согласно теории Бора энергия электрона в атоме водорода рассчитывается по формуле:

. (2)

Здесь Дж – энергия электрона на n-ом энергетическом уровне, – масса электрона, – заряд электрона, – постоянная Планка, – электрическая постоянная, n – положительное целое число (n = 1, 2, 3, …). Число n называют главным квантовым числом. Таким образом, энергия электрона в атоме дискретна (квантована). Знак минус указывает на то, что полная энергия электрона в атоме меньше, чем в свободном состоянии. За нуль отсчета принимается энергия при n = ∞, когда электрон не связан с ядром, а его кинетическая энергия равна нулю. В спектроскопии уровни энергии принято изображать горизонтальными линиями, а переходы между ними – стрелками (рис. 1). Расстояния между горизонтальными линиями пропорциональны соответствующим разностям энергий. Стрелкам, направленным от высших уровней энергии к низшим, соответствуют линии излучения (стрелкам, проведенным в обратных направлениях, – линии поглощения). На рис. 1 изображен спектр энергетических состояний атома водорода. Уровни энергии здесь нумеруются квантовым числом n. Самый нижний уровень соответствует состоянию системы с наименьшей возможной энергией. Это состояние называют основным, а остальные возбужденными, так как для перехода в эти состояния систему необходимо возбудить, т.е. сообщить ей энергию. При переходе системы из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией (n2 > n1 ) испускается фотон (квант света) с энергией . Энергия фотона определяется из условия (правило частот):

(3)

Подставляя в это соотношение выражения и из (2), получим формулу для частот спектральных линий атома водорода:

(4)

С учетом имеем:

(5)

Формула (5) наиболее часто используется в прикладной спектроскопии. Постоянный множитель, стоящий перед скобкой в последней формуле, обычно обозначают буквой R. Этот множитель называют постоянной Ридберга для атома водорода:

. (6)

Значения массы и заряда электрона, электрической постоянной, постоянной Планка и скорости света в вакууме известны и определены с большой точностью. Значение постоянной Ридберга R, вычисленное с использованием этих значений:

R = (1097, 37309 ±0, 00012)·.

Совокупность спектральных линий, соответствующих переходам с расположенных выше уровней на уровень с главным квантовым числом n1 = 1, называют серией Лаймана. Все спектральные линии этой серии расположены в области ультрафиолета; их регистрация возможна только с помощью фотопластинки или фотоэлектронного прибора. Совокупность спектральных линий, соответствующих переходам на уровень n1 = 2, дает серию Бальмера. Три первые спектральные линии этой серии расположены в видимой области спектра. С учетом (6) формула (5) для этой серии принимает вид (формула Бальмера):

(7)

Видимая часть спектра спонтанного излучения, возбужденного электрическим разрядом в водороде при низком давлении, наблюдается с помощью спектральных приборов (спектрометров, монохроматоров). Из уравнения (54.7) на основании измерений длин волн 1,2 ,3 трёх визуально наблюдаемых спектральных линий серии Бальмера – красной, голубой и сине-фиолетовой можно определить значение постоянной Ридберга R . Соответствующие значения квантового числа n2 определяются по схеме энергетических состояний атома водорода на рис. 1.

2. Описание экспериментальной установки

Принципиальная схема установки для исследования спектра атома водорода приведена на рис. 2. Исследуется излучение водорода, находящегося в газоразрядной трубке 1 при давлении около 1 Па. Атомы водорода возбуждаются электронным ударом в процессе так называемого тлеющего разряда (электронами, ускоренными электрическим полем, которое создается в трубке 1 подачей высокого напряжения с генератора 2).

Для наблюдения спектра используется призменный монохроматор УМ-2 с окулярной головкой 3 для визуального наблюдения спектра. Монохроматор работает в диапазоне длин волн 360 –  1000 нм и, следовательно, позволяет визуально наблюдать те линии серии Бальмера, которые находятся в видимой области спектра.

Излучение водорода в газоразрядной трубке 1 фокусируется конденсором О1 на плоскость входной щели Щ1 монохроматора. Конденсор представляет собой короткофокусную линзу или систему линз, как правило, большого диаметра. Благодаря наличию конденсора увеличивается интенсивность света, входящего в щель Щ1 монохроматора. Излучение в виде спектральных линий наблюдается визуально через окуляр 3. Наведение прибора на спектральную линию осуществляется вращением барабана 4 поворота призмы 5. Настройка резкости изображения спектральных линий достигается регулировкой ширины входной щели и перемещением объектива 7 коллиматора. Для более точного наведения на спектральную линию окуляр 3 снабжен указателем 6 с подсветкой.

3. Порядок выполнения работы

1. Перед входной щелью монохроматора устанавливается и подключается к источнику питания блок с газоразрядной трубкой.

2. Перемещением блока с газоразрядной трубкой, достигается максимальная яркость линий спектра.

3. Перемещением объектива 7 коллиматора с помощью маховичка, находящегося на корпусе монохроматора и одновременным уменьшением ширины входной щели от 2 мм до 0,1 мм, получить резкое изображение спектральных линий.

4. Вращением барабана 4 с одновременным наблюдением в окуляр монохроматора спектральной линии совместить выбранную линию с указателем и снять отсчет соответствующего угла φ по шкале барабана. Отсчет угла φ необходимо снимать против риски на флажке отсчетного устройства, скользящего по спиральной канавке барабана. Подводить спектральную линию к указателю необходимо всегда с одной стороны, т.е. либо справа, либо слева, чтобы избежать влияния люфтов поворотного устройства. Первая линия спектра атомарного водорода слева – красная, вторая – голубая. В промежутке между этими линиями расположены слабые красно-желтые и зеленые полосы спектра молекулярного водорода. Третья линия спектра атомарного водорода – сине-фиолетового цвета. Для повышения точности измерения повторяются три раза, начиная либо с красной, либо с сине-фиолетовой линии.

4. Обработка результатов измерений

1. По измеренным значениям угла поворота барабана монохроматора определяются длины волн, соответствующие всем трем наблюдаемым спектральным линиям серии Бальмера – красной, голубой и сине-фиолетовой. Градуировочный график λ(φ) находится в лаборатории.

2. По схеме энергетических состояний атома водорода на рис. 1 для каждой из трех наблюдаемых спектральных линий Бальмера находятся соответствующие значения квантового числа n2 и вычисляются значения величин 1/λ и .

3. На координатную плоскость, на которой по оси абсцисс отложена величина 1/λ, а по оси ординат – величина , наносятся экспериментальные точки. Постоянная Ридберга определяется как угловой коэффициент в уравнении прямой аппроксимирующей экспериментальные точки. Полученное значение постоянной Ридберга сопоставляется с теоретическим значением.

4. Рассчитывается погрешность экспериментального значения постоянной Ридберга. Результат записывается в стандартном виде.

5. Контрольные вопросы



1. Опишите спектр излучения водорода, который Вы наблюдали в лабораторной работе. Что Вы измеряли?

2. Расскажите о модели строения атома, предложенной Резерфордом.

3. Сформулируйте постулаты Бора, которые он ввел при создании теории атома водорода.

4. Какими квантовыми числами описывается состояние электронов в атоме? Квантование каких физических величин они определяют?

5. Изобразите энергетическую диаграмму атома водорода. Какие переходы электронов между энергетическими состояниями приводят к излучению в видимой части спектра?

6. В чем заключается физический смысл Боровских радиусов орбит электронов?

7. В лабораторной работе Вы наблюдали спектр излучения водорода, в котором можно выделить отдельные спектральные линии и широкие полосы. Объясните их наличие в спектре излучения.

8. Какой смысл имеет главное квантовое число? Что оно определяет?




Случайные файлы

Файл
57730.rtf
Vrubel.doc
146405.doc
104773.rtf
56488.rtf