Порядок выполнения работы. Лабораторная работа №4

Лабораторная работа №4

Цель работы: изучение спектрального метода исследования веществ с использованием спектроскопа; определение длин волн спектральных линий атома водорода; расчет постоянной Ридберга.

Приборы и оборудование: монохроматор УМ-2, работающий в режиме спектроскопа; конденсор; неоновая лампа; ртутная лампа ДРШ; водородная трубка; высокочастотный генератор.

Краткая теория

Спектральный анализ – это физический метод определения качественного и количественного состава вещества на основе изучения его спектров. Совокупность частот (или длин волн), содержащихся в излучении вещества, называется спектром испускания данного вещества.

Спектр излучения отдельных атомов состоит из отдельных спектральных линий - линейчатый спектр. Молекулярные спектры в отличие от атомных представляют собой набор полос – полосатый спектр.

В задачу данной работы входит изучение линейчатого спектра испускания водорода в газообразном состоянии с помощью спектроскопа.

Как же возникает линейчатый спектр излучения отдельных атомов водорода? Прежде всего происходит диссоциация молекул на атомы в газовом разряде в результате столкновений свободных электронов с молекулами. Далее соответствующие столкновения свободных электронов с атомами обуславливают переход электрона в атоме на более высокие энергетические уровни. Такое состояние атома или молекулы, возникающее при рекомбинации атомов, не является устойчивым, через время ~10^-8 с электрон вернется на свой энергетический уровень, и атом или молекула испустят квант света - фотон. Основным будет линейчатый спектр испускания атомов водорода, на который может частично накладываться менее интенсивный полосатый спектр молекул водорода.

Согласно второму постулату Бора, энергия фотона, который испускается при переходе электрона в атоме из состояния с номеромm в состояние с номеромn, равна

,

или (1)

где – постоянная Планка, – частота излучения, – длина волны, – скорость света в вакууме, – энергии m - го иn - го состояний соответственно.

Из квантовой механики следует, что энергии электронов в атомах могут принимать только определенные дискретные значения. Состояния, отвечающие этим значениям энергии, называются энергетическими уровнями. При переходе электронов на более низкие уровни излучаются спектральные линии. Совокупность линий, отвечающих переходам с различных более высоких уровней на один и тот же нижний уровень, образует спектральную серию.

Наиболее простой является система энергетических уровней атома водорода. Значение энергий электрона в атоме водорода можно вычислить по формуле:

(n=1, 2, 3…), (2)

где n – главное квантовое число, – масса электрона, – заряд электрона, – электрическая постоянная. Формула (2) впервые получена Н. Бором. Для более сложных атомов эта формула несправедлива.

Из (1) и (2) следует, что длины волн спектральных линий атома водорода могут быть рассчитаны по формуле:

, (3)

где (4)

– константа, называемая постоянной Ридберга. Формула (3) называется обобщенной формулой Бальмера.

Из формулы (3) следует, что линии в спектре атома водорода можно расположить по сериям. Для всех линий одной и той же серии значение n остается постоянным, а m может принимать любые целые значения, начиная с (n + 1).

В данной работе изучается серия Бальмера – совокупность линий в спектре атома водорода, соответствующих переходам со всех вышележащих уровней на уровень с n = 2. Только при n = 2 и m = 3, 4, 5, 6 излучаемые фотоны имеют длину волны , попадающую в видимый участок спектра. При других значениях n и m фотоны соответствуют инфракрасному или ультрафиолетовому участкам спектра.

Длины волн фотонов видимого участка могут быть вычислены
по формулам:

– красная линия

(5)

– зелено-голубая линия

– фиолетово-синяя линия

– фиолетовая линия

Массы m_ф и импульсы р_ф данных фотонов можно найти по формулам:

(6) и (7).

Схема некоторых переходов в атоме водорода приведена на рис. 1.

Напомним смысл обозначений в этой схеме. Наряду с главным квантовым числом n состояние электрона в атоме характеризуется орбитальным квантовым числом l и магнитным квантовым числом m_l . Состояния электрона с l = 0,1,2 обозначаются как s -, p - и d - состояния соответственно. Но уровни энергии электрона в атоме (а значит, и длины волн излучения) не зависят от чисел l, m_l, а определяются только главным квантовым числом n.

В квантовой механике доказывается, что возможны не любые переходы электронов в атоме, а лишь такие, при которых изменение орбитального квантового числа l соответствует правилу отбора

. (8)

В соответствии с правилом (8), в первых двух сериях в спектре атома водорода разрешены переходы (см. рис. 1):

Рис. 1. Схема электронных переходов в атоме водорода

Описание установки

Схема экспериментальной установки представлена на рис. 2.
Основным элементом установки является монохроматор УМ-2, работающий в режиме спектроскопа. Спектроскоп – прибор для пространственного разделения лучей различных длин волн и визуального наблюдения полученного спектра.

1. Свет от источника S проектируется конденсорной линзой K на входную щель 1, снабженную микрометрическим винтом 9, который позволяет открывать щель на нужную ширину. Рабочая ширина щели равна 0,02-0,03 мм.

2. Пройдя через щель, свет попадает на коллиматорный объектив 2, снабженный микрометрическим винтом 8, который позволяет смещать объектив относительно щели при фокусировке спектральных линий различных цветов и далее параллельным пучком проходит на сложную диспергирующую призму 3, установленную на поворотном столике.

3. Поворотный столик вращается вокруг вертикальной оси при помощи микрометрического винта 7 с отсчетным барабаном. На барабан нанесена винтовая дорожка с градусными делениями. Вдоль дорожки скользит указатель поворота барабана. При вращении барабана призма поворачивается, и в центре поля зрения появляются различные участки спектра.

4. Под углом 90⁰ к падающему пучку света помещается зрительная труба монохроматора. Зрительная труба состоит из объектива 4 и окуляра 5. Объектив 4 дает изображение входной щели 1 в своей фокальной плоскости. В этой плоскости расположен указатель 10. Изображение рассматривается через окуляр 5, который может быть заменен выходной щелью, пропускающей одну из линий спектра (в этом случае прибор служит монохроматором). Вследствие явления дисперсии полихроматический свет, пройдя через призму, разделяется на монохроматические пучки, и в результате в окуляре 5 можно наблюдать ряд линий, каждая из которых представляет собой изображение входной щели, окрашенных в свой цвет. Поворачивая столик с призмой на различные углы относительно падающего пучка света, последовательно наблюдают в окуляре все эти линии.

5. Корпус 11 предохраняет прибор от повреждений и загрязнения.

Источник света рекомендуется располагать на расстоянии 40-50 см от щели, а конденсор - на расстоянии 13-15 см от источника.

Пульт управления служит для питания источников света и осветительной системы спектроскопа. На пульте имеются гнезда для включения осветителей (3В и 5В) и ртутной лампы ДРШ. Тумблеры, расположенные на основании спектроскопа, позволяют включать лампочки осветителей шкал и указатели спектральных линий. Яркость освещения указателя регулируется реостатом.

При подготовке прибора к работе особое внимание следует обращать на тщательную фокусировку для того, чтобы указатель 10 и спектральные линии имели четкие, ясные границы. Фокусировка производится в следующем порядке: перемещая окуляр 5, следует получить резкое изображение указателя 10.

Для отсчета положения спектральной линии ее центр совмещают с острием указателя. Отсчет производится по делениям барабана. Для уменьшения погрешности ширину входной щели делают 0,02-0,03 мм по шкале микрометрического винта. Для наблюдения самых слабых линий в фиолетовой области щель нужно расширять до 0,05-0,06 мм. Глаз лучше замечает слабые линии в движении, поэтому при наблюдении полезно слегка поворачивать барабан в обе стороны от среднего положения.

Порядок выполнения работы