Лабораторная работа №4. Наблюдение спектра атомарного водорода и определение постоянной Ридберга

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:

Лабораторная работа №4. Наблюдение спектра атомарного водорода и определение постоянной Ридберга - student2.ru , ()

где знак минус означает, что система электрон-ядро является связанной, а Лабораторная работа №4. Наблюдение спектра атомарного водорода и определение постоянной Ридберга - student2.ru до Лабораторная работа №4. Наблюдение спектра атомарного водорода и определение постоянной Ридберга - student2.ru - главное квантовое число, определяющее энергию электрона на орбите.

При переходе из состояния с большим значением Лабораторная работа №4. Наблюдение спектра атомарного водорода и определение постоянной Ридберга - student2.ru с энергией Лабораторная работа №4. Наблюдение спектра атомарного водорода и определение постоянной Ридберга - student2.ru в состояние с меньшим значением Лабораторная работа №4. Наблюдение спектра атомарного водорода и определение постоянной Ридберга - student2.ru с энергией Лабораторная работа №4. Наблюдение спектра атомарного водорода и определение постоянной Ридберга - student2.ru испускается фотон (квант света) с частотой, рассчитанной по формуле Бора:

Лабораторная работа №4. Наблюдение спектра атомарного водорода и определение постоянной Ридберга - student2.ru , ()

 
  Лабораторная работа №4. Наблюдение спектра атомарного водорода и определение постоянной Ридберга - student2.ru

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

Лабораторная работа №4. Наблюдение спектра атомарного водорода и определение постоянной Ридберга - student2.ru Тогда, воспользовавшись уравнением для энергии (), формула () примет вид:

Лабораторная работа №4. Наблюдение спектра атомарного водорода и определение постоянной Ридберга - student2.ru Лабораторная работа №4. Наблюдение спектра атомарного водорода и определение постоянной Ридберга - student2.ru , ()

где Лабораторная работа №4. Наблюдение спектра атомарного водорода и определение постоянной Ридберга - student2.ru - 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 nj) для видимой области спектра nj = 2. В видимой области расположены четыре линии серии Бальмера: Нα (ni = 3), Нβ (ni = 4), Нγ (ni = 5), Нσ (ni = 6). Остальные линии этой серии лежат в ультрафиолетовой области спектра.

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

Лабораторная работа №4. Наблюдение спектра атомарного водорода и определение постоянной Ридберга - student2.ru ()

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

Описание установки

 
  Лабораторная работа №4. Наблюдение спектра атомарного водорода и определение постоянной Ридберга - student2.ru

Установка представляет собой призменный монохроматор УМ-2, который выделяет монохроматические участки спектра в видимой и ближней инфракрасной областях (рис.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. Пульт питания монохроматора питает ртутную лампу. Пульт включается в сеть 220 В. На рейтере укреплен держатель водородной трубки, которая питается от источника питания.

Оптическая схема монохроматора, изображенная на рис.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

 
  Лабораторная работа №4. Наблюдение спектра атомарного водорода и определение постоянной Ридберга - student2.ru

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 волнам определенной 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. При повороте барабана на одно деление (2°) система призм поворачивается на 2011 (угловых секунд).

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. При разряде в следствии диссоциации появляются атомы водорода. Поэтому кроме характерных для атомарного водорода линий могут быть видны более слабые по интенсивности и близко расположенные друг от друга линии молекулярного водорода. Вместо водородной трубки может быть использована дейтериевая лампа, обладающая аналогичным спектром.

Ход работы

Внимание!

Ознакомьтесь с описанием экспериментальной установки.

Задание 1. ПОСТРОЕНИЕ ГРАДУ 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, поочередно совмещайте измеряемые линии с индексом и делайте отсчет для каждой линии. Рекомендуется подводить линии спектра к индексу всегда с одной стороны. Полученные данные внесите в таблицу.

№ линии спектра Цвет λi φi, град
     
     
     

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.

По данным таблицы постройте на миллиметровой бумаге график зависимости φiот λi,соблюдая правила построения графиков.

Задание 2.НАБЛЮДЕНИЕ СПЕКТРА АТОМАРНОГО ВОДОРОДА И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИН ВОЛН В ВИДИМОЙ ЕГО ЧАСТИ

1. Замените ртутную лампу на водородную трубку (дейтериевую лампу),

которую можно приблизить вплотную к входной щели и включите ее. В процессе замены оба источника, естественно, должны быть выключены. Т.к. их интенсивность значительно уступает интенсивности ртутных линий, то измерения следует проводить при минимальной внешней освещенности, а лампы дневного света желательно выключить Измерьте углы для всех наблюдаемых линий.

2.По градуировочному графику определите значения длин волн этих линий

З.По табличным данный предложенным на рабочем месте и атласу спектров, определите примеси газов, присутствующих в трубке. 4.Идентифицируйте линии, соответствующие атому водорода Нα, Нβ, Нγ и по формуле (4) рассчитайте значения постоянную Ридберга R для каждой линии, а также среднее значение Rср. Попытайтесь оценить абсолютную погрешность Rср. исходя из того, что в данной работе точность отсчета угла φiдля каждой линии реально составляет около 50 . Расчет проведите не менее, чем с тремя значащими цифрами.

Контрольные вопросы.

1. Почему движущийся электрон в атоме, согласно электродинамике, должен упасть на ядро?

2. Сформулируйте постулаты Бора.

3. Что означает слово "спектр"?

4. Объясните природу спектральных линий водорода с точки зрения электронных энергетических уровней.

5. По какому принципу спектральные линии объединяются в серии?

6. Почему из бесконечного числа спектральных линий наблюдаются только 4 (или 3)?

7. В чем состояла революционность теории Бора и каковы ее недостатки?

Наши рекомендации