Описание лабораторной установки

Лабораторная работа №21

Определение постоянной Планка по длинноволновой границе фотохимического процесса.

Цель работы — Определение длинноволновой границы спектра поглощения водного раствора с протекающей в нем фотохимической реакцией и вычисление постоянной Планка

Краткие сведения из теории

Фотохимические реакции.

Химические реакции, происходящие под действием или с участием светового излучения носят название фотохимических. Первые фотохимические закономерности были установлены в веке XIX (законы Гроттуса, Брунзена-Роско). Как самостоятельная область науки фотохимия оформилась в первой трети XX века, после открытия закона Эйнштейна, ставшего основным в фотохимии. Молекула вещества при поглощении кванта света переходит из основного в возбужденное состояние, в котором она и вступает в химическую реакцию. Продукты этой первичной реакции (собственно фотохимической) часто участвуют в различных вторичных реакциях (в так называемые темновые реакции) приводящих к образованию конечных продуктов. С этой точки зрения фотохимию можно определить как химию возбужденных молекул, образовавшихся при поглощении квантов света. Часто более или менее значительная часть возбужденных молекул не вступает в фотохимическую реакцию, а возвращается в основное состояние в результате различного рода фотохимических процессов дезактивации.

Фотохимические процессы подчиняются следующему количественному закону: масса фотохимически прореагировавшего вещества пропорциональна количеству поглощенной световой энергии.

Изучение фотохимических процессов показало, что они протекают в соответствии с фотонной природой света: каждому поглощенному фотону соответствует химическое превращение одной молекулы.

Так как на превращение одной молекулы требуется некоторая минимальная работа А, то энергия фотона должна удовлетворять условию

hν ≥ А (1)

Откуда вытекает существование границы фотохимического процесса ν_О если на частоте света

ν < ν_O =A/h (2)

то фотохимическая реакция не протекает. Для каждой фотохимической реакции ν_O имеет свое значение. Учитывая связь частоты, длины волны λ и скорость света с (ν λ = с)эту границу можно указать не только частотой ν_O но и соответствующей длиной волны λ_О называемой длинноволновой границей фотохимического процесса (длинноволновая , т.к. с увеличением длины волны энергия фотона увеличивается и не вызывает фотореакции). Исследуя спектр поглощения вещества, в котором протекает фотохимическая реакции, можно в некоторых случаях определить длинноволновую границу фотоэффекта.

Спектральные характеристики водного раствора двухромовокислого калия.

В данной работе изучается спектр поглощения водным раствором двухромовокислого калия К₂Сr₂O₇ белого цвета. Двухромовокислый калий под действием молекул воды диссоциирует на катионы и анионы кислого остатка.

К₂Сr₂O₇ ↔ 2K⁺ + Cr₂O₇^-- (3)

Анионы Cr₂O₇^-- распадаются под действием света на анионы CrO₃^-и CrO₄^-, это объясняется тем, что анионы Cr₂O₇^-- хорошо поглощают световые фотоны, особенно фотоны синих и фиолетовых лучей, и вследствие этого распадаются на более простые анионы. Происходящая при этом реакция может быть записана так:

Cr₂O₇^-- + hν = CrO₃^- + CrO₄^- (4)

Реакция происходит, если

hν ≥ А или hc/ λ ≥ А (5)

Если λ равна максимальной длине волны λ_O , которая еще поглотится раствором , то

A = hc/ λ_O (6)

Известно, что минимальная энергия необходимая для осуществления данной фотохимической реакции (4) А=3,672*10^-19 Дж. Зная работу А и определив опытным путем длинноволновую границу λ_O можно из формулы (6) получить экспериментальное значение постоянной Планка.

Описание лабораторной установки

Лабораторная установка (рисунок 1) состоит их следующих узлов:

монохроматор МУМ-01 (1),

узел светодиодного излучателя (4),

кюветное отделение (2),

фотоприемный узел (3),

блок обработки сигнала (5),

мультиметр(вольтметр) (6).

В узле излучателя установлен специальный светодиод белого света, излучающий в диапазоне 400 … 700 нм (распределение спектра излучения соответствует графикам сигнала U₀, приведенным в приложении). Узел излучателя закреплен непосредственно перед входной щелью монохроматора на его корпусе. За входной щелью установлен объектив, формирующий параллельный пучок, проходящий кюветное отделение и попадающий на фотодиод фотоприемного узла.

Функциональная схема блока обработки сигнала приведена на рисунке 2.

Для повышения соотношения сигнал/шум и устранения влияния постоянных засветок питание светодиода излучателя осуществляется модулированным током частотой 20кГц, задаваемой генератором Г. Сигнал с фотодиода фотоприемного узла усиливается предварительным усилителем ПУ и поступает на вход синхронного детектора СД, на который также подается сигнал опорной частоты от генератора Г. Вырабатываемое синхронным детектором напряжение усиливается и подается на вход измерительного прибора (мультиметра). Одновременно это напряжение поступает на вход компаратора К, на второй вход которого поступает опорное напряжение Uoп.

При превышении измеряемым сигналом уровня опорного напряжения компаратор включает светодиодную и звуковую индикацию. В этом случае с помощью переключателя ВК (на блоке обработки сигнала) следует изменить (уменьшить) ток через светодиод излучателя, что приводит к соответствующему уменьшению мощности излучаемого светового потока.

Оптическая схема установки приведена на рисунке 3.

В качестве диспергирующего и фокусирующего элемента в монохроматоре использована вогнутая дифракционная решетка с переменным шагом нарезки и криволинейными штрихами, что даёт возможность значительно скомпенсировать расфокусировку и другие аберрации. Излучение от светодиода 1 попадает на входную щель 2 и посредством зеркала 3 попадает на дифракционную решетку 4. Дифракционная решетка строит изображение входной щели 3 в плоскости выходной щели 6. Зеркала 3 и 5 осуществляют излом оптической оси системы для более компактного размещения элементов в корпусе. Кроме того, зеркало 3 может выведено из хода лучей с

помощью рукоятки на корпусе монохроматора. В этом случае в качестве входной щели может быть использована щель 10 (в настоящей работе этот режим не используется и щель 10 является резервной). За выходной щелью 6 установлена оптическая система из линз 7, которая формирует параллельный пучок, направляемый через кюветное отделение с установленным в нем объектом исследования 8 на фотодиод 9 фотоприемного узла. Сканирование спектра осуществляется поворотом решетки 5 вокруг оси 0 на угол в пределах от φ₀ = 6°54′ до φ_k = 28°44′. Закон движения решетки обеспечивается синусным механизмом, в котором для перемещения опорной поверхности служит винт. Системой зубчатых передач синусный механизм связан с решеткой рукояткой, расположенной на торцевой стенке монохроматора, и цифровым механическим счетчиком, вмонтированным в корпус монохроматора, с помощью которого осуществляется непосредственный отсчет длин волн с точностью ± 0,2 нм.

Основные спектральные характеристики: Рабочий диапазон длин волн монохроматора 290-800 нм.

Рабочий диапазон длин волн спектрофотометрического тракта (излучатель

-монохроматор — фотоприемник) 370-700 нм.

Величины обратной линейной дисперсии — 3,2 нм/мм.

Щели на выходе и входе монохроматора сменные, постоянной ширины. Для получения большей спектральной чистоты выделяемого излучения при работе в области спектра от 330 до 660 нм входная и выходная щели устанавливаются в положение I, а при работе в области спектра от 200 до 260 и от 730 до 800 нм щели устанавливаются в положение II, в областях от 260 до 330 нм и от 660 до 730 нм входная — в положение I(II), и выходная в положение II(I). В настоящей работе фотоприемный тракт работает в диапазоне 370 — 670 нм, поэтому входная и выходная щели могут быть оставлены в положении I.

Исследуемый образец помещают в кюветное отделение, представляющее собой тубус с закрывающейся крышкой. Исследуемый раствор заливается в герметическую кювету, имеющую стеклянные входное и выходное окна.

Порядок выполнения работы

1. Включите источник питания и мультиметр. Установите на мультиметре предел измерений 20 В.

2. Установите входную и выходную щели 0,25 мм в положении I.

3. Подождите не менее 5 минут для стабилизации теплового режима приемника излучения.

4. Произведите калибровку оптической системы. Для этого следует при пустом тубусе кюветного отделения снять зависимость показаний мультиметра (U₀) от длины волны λ в диапазоне длин волн от 370 нм до 800 нм с шагом 10 нм. При необходимости переключайте пределы измерения мультиметра (20 В, 2 В, 200 мВ).

5. Поместите в тубус кюветного отделения кювету с раствором и снимите соответствующие зависимости показаний мультиметра (U1) от λ в том же диапазоне длин волн (длину волны рекомендуется устанавливать с тем же шагом, что и в п.4).

6. Выключите источник питания и мультиметр.

- Если измеренное вольтметром напряжение составляет менее 0,1 В, рекомендуется установить щели большей ширины или снять щель перед источником излучения.

- При больших световых потоках возможна перегрузка приемника излучения. При этом включается красный мигающий индикатор перегрузки и раздается звуковой сигнал. В этом случае рекомендуется уменьшить мощность источника излучения, переведя переключатель на блоке обработки сигнала в положение 0.

- Приемник излучения и блок обработки сигнала чувствительны к воздействию сильного переменного электромагнитного поля, поэтому не рекомендуется располагать РМС поблизости от радиопередающих устройств (в частности, мобильных телефонов) — это может вызвать ошибки в измерениях.

7. Постройте кривые зависимостей U_l , U₀ , и коэффициента пропускания раствора T = U_l/U₀ от длины волны λ на одном графике.

8. Определите по построенному графику длинноволновую границу фотоэффекта и рассчитайте по формуле значение постоянной Планка.

9. Сделайте соответствующие физические выводы, сравните экспериментальные данные со справочными.

10. Объясните функционирование основных узлов экспериментальной установки.

Литература:

1. Ландсберг Г.С. Оптика: Учеб. пособ. для вузов.- 5-изд., перераб. и доп.. —

М.:Наука, 1976.-929 с.

2. Трофимова Т.И. Курс физики: Учеб. пособ. для вузов.- 6-изд., стереотип. — М:Высш. шк., 1999. — 544 с.

3. Калитеевский Н.И. Волновая оптика: Учеб. пособ. для вузов.- 3-изд., перераб. и доп.. — М.: Высш. шк., 1995. — 463 с.

4. Лебедева В.В. Экспериментальная оптика: Оптические материалы.

Источники, приемники, фильтрация оптического излучения: Учеб. для вузов. — М., Изд-во Моск. ун-та, 1994. — 364 с.

5. Цветное оптическое стекло и особые стекла. Каталог. Под. ред Г.Т.Петровского. — М.: Дом оптики, 1990. — 227 с.