Орбитальное (побочное или азимутальное) квантовое число l

определяет орбитальный момент импульса электрона и форму его орбиты и может принимать n целых значений от нуля до (n-1).

Магнитное число m может принимать (2l+1) целых значений от -lдо+l ; оно и определяет проекцию орбитального момента импульса электрона на направление ОZ внешнего магнитного поля:

Спиновое квантовое число m_s принимает лишь два значения

(m_s = )и определяет проекцию спина (т.е. собственного механического момента) электрона на выделенное направление.

Электронные состояния в зависимости от значения орбитального числаl обозначаются соответственно как s-состояния.

По принципу Паули в одном состоянии, т.е. с полным набором четырех квантовых чисел в атоме может находиться не более одного электрона. В общем случае число электронов в состоянии с орбитальным числом l и разными значениями m и m_s равно 2(2l+1).

Основное отличие сложных атомов от атома водорода в том, что энергия электронов сложных атомов зависит не только от главного числа n, но и от орбитального квантового числа l.

На самом верхнем энергетическом уровне находятся валентные электроны и это состояние для них будет основным энергетическим состоянием. Все более высокие энергетические уровни обычно свободны. А все более низкие – заняты электронами атома.

При поглощении атомом энергии валентные электроны атома переходят на свободные более высокие энергетические уровни, образуя спектр поглощения. Обратные переходы с верхних энергетических уровней на свободные нижние определяют спектр испускания атома. Во всех случаях энергия излучаемого или поглощаемого электромагнитного кванта связана с энергией перехода правилом Бора (1).

Следует отметить, что в атомах и молекулах переходы между энергетическими уровнями подразделяются на излучательные (оптические) и без излучательные (неоптические, тепловые) переходы.

Набор частот (длин волн), которые может излучать атом, называется его спектром

Оптические спектры атомов определяются только излучательными переходами электронов, которые возможны только между определенными уровнями энергии и определяются специальными правилами отбора квантовой механики.

Переходы, запрещенные этими правилами отбора, могут происходить, но их вероятность значительно меньше чем разрешенных переходов. Поскольку интенсивность спектральных линий прямо пропорциональна количеству оптических переходов в единицу времени, то интенсивность спектральных линий, соответствующих разрешенным переходам велика, а запрещенным переходам — мала.

Таким образом, излучение атомов состоит из отдельных, характерных только для данного атома, спектральных линий с частотами n_mk и длинами волн l_mk, которые сопровождают соответствующие переходы в них. .. Спектры излучения вещества могут значительно усложняться в зависимости от агрегатного состояния вещества - соседние атомы могут существенно изменять энергетику электронов.Из опыта следует, что только спектры разряженных атомарных газов и паров металлов подобных атомным, состоят из отдельных цветных узких линий на темном фоне. Такие спектры называются линейчатыми. Линейчатые спектры являются характеристическими, потому что они характерны для атомов данной природы – водорода, кислорода, гелия и так далее. Разреженные молекулярные газы дают полосатый спектр, который состоит из цветных полос на темном фоне. Полосы состоят из близко расположенных спектральных линий, которые в спектрах не очень высокого разрешения практически сливаются в сплошную полосу. Спектры излучения конденсируемых сред и сжатых газов имеют сплошной спектр в виде радужной полосы.

Сравнивая интенсивность и расположение спектральных линий, характерных для разных элементов, можно рассчитать их количественное содержание в веществе и определить химический состав.

Устройства, позволяющие получить пространственно разделенный спектр, называются спектроскопами, спектрометрами, спектрографами.

Если излучение со сплошным спектром пропустить через поглощающую среду, на выходе из него получим излучение, спектр которого содержит линии поглощения. По закону Кирхгофа-Бунзена спектры поглощения являются обратными к спектрам излучения. Спектр поглощения разреженными атомарными газами представляет собой совокупность темных линий поглощения, так называемых темных фраунгоферовых линий, на фоне радужной полосы. Положение этих линий в точности отвечает положению линий излучения данного газа и для водорода, например, подчиняется закону (1.7).

 

2.Изучение строения спектроскопа и градуировка его шкалы.

Спектроскоп является одним из спектральных приборов – оптических приборов для разложения в спектр за длинами волн (частотами) электромагнитного излучения оптического диапазона и для изучения этих спектров. По способам разложения в спектр приборы делятся на несколько классов. 1) Спектральные приборы с пространственным разложением, где излучение разных частот разделяется по направлениям распространения.

2) Спектральные приборы с амплитудной модуляцией, основанной на явлении дифракции света, где анализ спектрального состава излучения выполняется за счет изменения длины волны и, как следствие, изменения оптической разности хода лучей и изменения интенсивности излучения этой длины волны в результате интерференции и другие. Мы изучаем спектроскоп, то есть прибор для наблюдения оптических спектров, с пространственным разложением. Принципиальная схема прибора УМ – 2 приведенная на рис. 5.1.Прибор имеет три основные части: входной коллиматор – 1; диспергирующий элемент – 2; выходной коллиматор – 3.

Входной коллиматор состоит из диафрагмы со щелью Щ, которая находится в фокальной плоскости (расстояние F₁) линзы Л₁. Он создает параллельный пучок неразделенного излучения, которое направляется на диспергирующий элемент.

Диспергирующий элемент - это устройство, в котором пространственное разложение света в спектр происходит благодаря явлению дисперсии.Дисперсия – волновое явление,которое заключается в зависимости показателя преломления средыот длины волны. Угол отклонения световых лучей трехгранной призмой зависит от показателя преломления, поэтому прохождение света через трехгранную призму сопровождается его разложением в спектр.

Диспергирующий элемент в спектроскопе УМ – 2 - это трехгранные призмы из прозрачного материала (рис. 5.2), угол отклонения лучей d = f[n(l)] в которых зависит от показателя преломления n и от длины волны l. Он превращает пучок лучей, которые падают на него, в систему параллельных пучков, идущих под разными углами j(l) (см. рис 5.1).

Исходный коллиматор фокусирует с помощью линзы Л₂ параллельные пучки и создает в фокальной ее плоскости (на расстоянии F₂), совпадающей с плоскостью наблюдения ПС (см. рис 5.1), систему изображений входной щели Щ в разных цветах, которые имеют разные длины волн. Таким образом происходит пространственное разложение сложного света в спектр.

Внешний вид спектроскопа изображен на рис. 5.3.

Элементы 1, 2, 3, это -- входной коллиматор, диспергирующий элемент и исходный коллиматор. Размер щели Щ входного коллиматора регулируются с помощью микрометрического винта В.

Диспергирующий элемент расположен в корпусе 2 на столике, положение которого регулируется червячной парой с помощью барабана Б.

Поворот барабана обеспечивает наблюдение необходимой части спектра и фиксируется по шкале, нанесенной на его поверхности. Спектральныелинии наблюдаются с помощью выходного коллиматора, в котором есть визирный штырь, а четкое изображение штыря и линий достигается перемещением окуляра Ок и объектива О коллиматора.

Для превращения спектроскопа в спектрометр необходимо проградуировать шкалу спектроскопа, то есть поставить в соответствие делениям шкалы спектроскопа соответствующие значения длин волн. Это соответствие, как правило, представляется в виде графика зависимости длины волны l от угла поворота a барабана (см. рис 5.3). Типичная форма градуировочного графика представлена на рис. 5.4. Чтобы построить такой график необходимо иметь излучение с известным линейчатым спектром.

С помощью спектрометра можно определить длину волны неизвестного излучения.

 

 

3.Порядок выполнения работы

 

3.1 Произвести градуировку спектроскопа по заданным спектрам излучения ртутной и неоновой ламп.

1.Изучить строение спектроскопа. Познакомиться с механизмами управления положением спектра и размерами щели входного коллиматора.

2 Подготовить и включить ртутную лампу. Настроить наилучшую видимость спектра, удостовериться во влиянии размеров щели входного коллиматора на качество спектра. Добиться четкого изображения визирного штыря с помощью перемещения окуляра исходного коллиматора. Изменяя положение объектива исходного коллиматора, добиться четкого изображения спектральных линий.

3 Ввести в поле зрения начало спектра и установить, например, желтую линию ІІ из табл.1 против визирного штыря с помощью поворота барабана. Зафиксировать значение угла поворота барабана, результат занести в табл.1

 

Таблица 1.

Цвет линии	Относительная яркость	Длина волны l, нм	Отсчет по шкале a, град
Фиолетовая І		404,66
Фиолетовая ІІ		407,78
Фиолетово-синяя		435,83
Голубая		491,60
Зеленая		546,07
Желтая И		576,96
Желтая ІІ		579,06

 

4 Установить против визира желтую линию І. Зафиксировать отсчет угла поворота барабана и занести его в табл.1. Провести соответствующие измерения остальных спектральных линий спектра паров ртути.

5. Заменить с помощью преподавателя или лаборанта ртутную лампу на неоновую, линии которого приведены в таб. 2.Произвести аналогичные измерения для указанных линий.

 

Таблица 2

Цвет линии	Относительная яркость	Длина волны l, нм	Отсчет по шкале a, град
Зеленая И		533,08
Зеленая ІІ		534,11
Зеленая ІІІ		540,06
Желтая И		576,44
Желтая ІІ		585,25
Оранжевая И		588,19
Оранжевая ІІ		594,48
Красно-оранжевая И		597,55
Красно-оранжевая ІІ		603,00
Красно-оранжевая ІІІ		607,43
Красно-оранжевая ІV		609,62
Красно-оранжевая V		614,31
Ярко-красная И		616,36
Ярко-красная ІІ		621,73
Ярко-красная ІІІ		626,65
Ярко-красная ІV		630,48
Ярко-красная V		633,44
Ярко-красная VІ		638,30
Ярко-красная VІІ		640,22
Красная И		650,65
Красная ІІ		653,29
Красная ІІІ		659,89
Красная ІV		667,83
Красная V		671,70

 

6 .Построить градуировочный график по данным табл. 1 и 2.

Примечание. Для построения графика необходимо использовать, как минимум, возможности целой страницы вашего протокола работы. Обратите внимание на отсчеты на осях графика, который приведен на рис. 5.5. На осях отложите соответствующие масштабы только в пределах измеренных величин таким образом, чтобы построенный график занимал практически все отведенное поле.