Лабораторная работа № 3

Изучение линейчатых спектров ртути, неона и водорода

Цель и задачи работы: Знакомство с основными положениями квантовой физики. Градуировка монохроматора по известным значениям длин волн спектральных линий ртути и нахождение значения длин волн линий в спектре водорода и неона.

Общие сведения

В природе происходит постоянный обмен энергией между телами. Одним из способов такого обмена является излучение и поглощение электромагнитных волн. Спектральный состав излучения тела зависит от его температуры, химической природы и агрегатного состояния. Спектры излучения бывают сплошные, полосатые и линейчатые.

Сплошной спектр дают нагретые твердые тела и жидкости.

Атомы газов при высоких температурах дают линейчатый (атомный) спектр. Каждый химический элемент обладает характерным для него линейчатым спектром.

Спектр излучения, испускаемый возбужденными молекулами, состоит из большого числа линий, сливающихся в полосы. Такой спектр называется полосатым (молекулярным).

В основе теории линейчатых спектров лежат 2 постулата Бора:

1) Атом может находиться только в некоторых избранных (квантовых) состояниях, характеризующихся определенными прерывными (дискретными) значениями энергии Е₁, Е₂, Е₃ …. Эти состояния называются стационарными. Находясь в стационарном состоянии, атом не излучает. Условие стационарности выражается формулой

, (1)

где n – главное квантовое число (номер энергетического уровня, на котором находится электрон в атоме); m- масса электрона, кг; - скорость электрона на n-й орбите, м/с; r- радиус электронной орбиты, м; h- постоянная Планка, Дж.с.

2) При переходе электрона из стационарного состояния с большей энергией в стационарное состояние с меньшей энергией , энергия атома изменяется на величину . При этом испускается один фотон с энергией

hn = - , (2)

где n - частота электромагнитного излучения, Гц.

Такое же соотношение справедливо и для случая поглощения, когда за счет энергии поглощенного фотона электрон переходит с одного энергетического уровня на другой, более высокий уровень.

Описание установки

Для выполнения данной лабораторной работы используются монохроматор УМ-2, неоновая, ртутная и водородная лампы.

Для градуировки спектрального прибора – монохроматора УМ-2, используется спектр атома ртути в видимой области.

Для исследования спектров излучения применяется универсальный монохроматор УМ-2, принципиальная схема которого представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 Принципиальная схема монохроматора: I – коллиматор; II – призма; III – зрительная труба; 1 – источник света;

2 – входная щель; 3 – винт; 4 – объектив; 5 – винт для установки объектива; 6 – шкала объектива; 7 – линза окуляра; 8 – окуляр;

9 – барабан с делениями; 10 – заслонка

Основные части монохроматора: коллиматор, дисперсионная призма и зрительная труба. Свет от источника 1 попадает на входную щель 2, ширина которой может регулироваться винтом 3.

Входная щель находится в фокусе объектива коллиматора 4. Вышедший из коллиматора пучок лучей будет параллельным и, пройдя дисперсионную призму, даст в поле зрения зрительный трубы картину спектра.

В фокусе камерного окуляра 7 имеется указатель (стрелка), относительно которого должна устанавливаться изучаемая линия спектра. Установка линии спектра производится путем поворота дисперсионной призмы барабаном 9.

На барабане нанесены деления, оцифрованные через каждые 50°. Цена каждого деления равна 2°. Установка объектива коллиматора в правильное положение относительно щели производится винтом 5. Это положение можно отметить по шкале 6. Если в поле зрения зрительной трубы монохроматора одинаково резко видны указатель и края входной щели коллиматора, то установка монохроматора правильная.

Фокусировка (наведение на резкость изображения) монохроматора производится сначала для указателя (стрелки) простым поворотом втулки окуляра 8, а затем для щели коллиматора винтом 5. Заслонка 10 служит для перекрывания светового луча. В рабочем положении заслонка должна быть открыта.