Порядок выполнения работы. Лабораторная работа №3

Лабораторная работа №3

НАБЛЮДЕНИЕ СПЕКТРА АТОМАРНОГО ВОДОРОДА И

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОСТОЯННОЙ РИДБЕРГА

Цель работы:наблюдение спектров ртути и водорода с помощью спектрального аппарата; определение постоянной Ридберга.

Приборы и принадлежности:монохроматор УМ-2, ртутная лампа ДРШ с блоком питания, водородная трубка с блоком питания, оптическая скамья.

Краткая теория.

В соответствии с теорией Бора энергия электрона на стационарных орбитах может принимать дискретные значения:

3.1)

где знак минус означает, что система электрон-ядро является связанной, а - главное квантовое число, определяющее энергию электрона на орбите.

При переходе из состояния с большим значением с энергией в состояние с меньшим значением с энергией испускается фотон (квант света) с частотой, рассчитанной по формуле Бора:

, (3.2)

Однако в спектроскопии принято характеризовать спектральные линии не частотой, а величиной, обратной длине волны, называемой волновым числом:

. (3.3)

Тогда, воспользовавшись уравнением для энергии (3.1), формула (3.2) примет вид:

, (3.4)

где - постоянная Ридберга, справочное значение которой равно R = 109737,309 ± 0,012 см^-1

Все линии спектра водорода могут быть объединены в серии (совокупности линий, отвечающих переходу на орбиту с данным значением n_j) для видимой области спектра n_j = 2. В видимой области расположены четыре линии серии Бальмера: Н_α (n_i = 3), Н_β (n_i = 4), Н_γ (n_i = 5), Н_σ (n_i = 6). Остальные линии этой серии лежат в ультрафиолетовой области спектра.

Используя формулу Бальмера (3.4), постоянную Ридберга можно определить как:

(3.5)

Таким образом, зная длину волны хотя бы одной линии и соответствующее ей значение n_i, можно рассчитать постоянную Ридберга.

Описание установки

Установка представляет собой призменный монохроматор УМ-2, который выделяет монохроматические участки спектра в видимой и ближней инфракрасной областях (рис. 3.1).

Свет от источника излучения освещает входную щель монохроматора (3). Ширина щели регулируется микрометрическим винтом (5), а ее высота - фигурной диафрагмой (4).

Через коллиматор (2) параллельный пучок света подается на диспергирующую призму (1). которая вращается с помощью барабана (7), выводя в центр фокальной плоскости окуляра (9) излучение разных длин волн. Связь между длиной волны излучения и делениями барабана определяется по градировочному графику.

В фокальной плоскости окуляра имеется указатель с головкой (8), освещаемый лампочкой через сменные светофильтры в револьверной оправе (10); таким образом, при работе в любой области спектра указатель может быть освещен светом той же длины волны. Окуляр поворотом головки устанавливается так, чтобы резко был виден указатель. Затем маховичком объектива коллиматора (6) фокусируется изображение спектра в плоскости указателя. Ртутная лампа включается с помощью специального блока питания. На рейтере укреплен держатель водородной трубки, которая питается от своего источника.

Оптическая схема монохроматора, изображенная на рис.3.2, состоит из трех основных частей: коллиматора 2-4, служащего для получения параллельного пучка лучей, системы диспергирующих призм 5, разлагающей немонохроматический свет в спектр, и зрительной трубы 6-8 для наблюдения спектра. Свет от источника 1 проходит через конденсор 2 и освещает шель 3, которая расположена в фокальной плоскости объектива 4 коллиматора. Из объектива параллельный пучок лучей направляется на призму 5.

Если источник испускает немонохроматический свет, то поскольку лучи различных длин волн по-разному преломляются в призме (явление дисперсии), произойдет разложение света на монохроматические составляющие, соответствующие излучению определеннойй длины. Они соберутся в фокальной плоскости объектива 6 зрительной трубы в виде спектрального изображения щели 3, т.е. в виде отдельных линий разного цвета. Спектр может наблюдаться через окуляр 8, при этом спектральные линии выводятся (путём поворота призмы) на выходную щель 7 зрительной трубы.

Ширина входной щели регулируется микрометрическим винтом так, чтобы были видны даже слабые линии спектра и, в тоже время, наиболее яркие линии не резали глаз. В процессе измерений величину входной щели не рекомендуется трогать.

Отчетным устройством прибора является барабан, проградуированный в относительных единицах, который механически соединён с системой диспергирующих призм.

Ртутно-кварцевая лампа сверхвысокого давления типа ДРШ является мощным источником излучения в видимой и ультрафиолетовой частях спектра. В данной работе она предназначена для градуировки монохроматора (длины волн основных линий спектра паров ртути считаются известными).

Водородная трубка содержит водород в молекулярном виде, а также микропримеси других газов. При электрическом разряде в трубке, вследствие диссоциации, появляются атомы водорода. Поэтому кроме характерных для атомарного водорода спектральных линий могут быть видны более слабые по интенсивности и близко расположенные друг от друга линии излучения молекулярного водорода и атомов примесей. Вместо водородной трубки может быть использована дейтериевая лампа, обладающая аналогичным спектром.

Порядок выполнения работы

Внимание!

Ознакомьтесь с описанием экспериментальной установки.

Задание 1. Построение градуировочного графика

1. Установите ртутную лампу на оптической скамье на расстоянии 20.. .30 см от входной щели коллиматора и включите ее.

2. Отрегулируйте с помощью микрометрического винта ширину входной щели. При этом желтый дублет линий спектра ртути должен быть четко виден.

3. Вращая рифленое регулировочное кольцо окуляра, получите резкое изображение вертикального отсчетного индекса. При этом в поле зрения окуляра, наряду со спектральными линиями, виден вертикально расположенный индекс в виде стрелки черного цвета, который совмещается при выполнении работы со спектральной линией.

4. После этого с помощью винта, расположенного на корпусе монохроматора, добейтесь резкого изображения линий спектра и еще раз проверьте ширину входной щели.

5. Вращая барабан и поочередно совмещая измеряемые линии с индексом окуляра, сделайте отсчет делений шкалы барабана d_i для каждой линии. Рекомендуется подводить линии спектра к индексу всегда с одной стороны. Используя спектр характерных линий ртути, прилагаемый к установке, идентифицируйте значения длины волны λ_i для наблюдаемой линии. Полученные данные d_i и λ_i внесите в таблицу 3.1.

Таблица 3.1

№ линии спектра	Цвет	λi, нм	di, дел.
…

В приложении указаны длины волн и приблизительные значения (в %) относительных интенсивностей наиболее ярких линий спектра ртути. Интенсивность зеленой линии (5461 А) принята за 100%. Чтобы не ошибиться в идентификации наблюдаемых линий, обратите внимание на взаимное расположение, цвет и интенсивность пиний в приложении.

6. По данным таблицы 3.1 постройте график зависимости d_iот λ_i,соблюдая правила построения графиков.