11421

ВИЗНАЧЕННЯ ПОСТІЙНОЇ ПЛАНКА ЗА СПЕКТРОМ АТОМА ВОДНЮ

Лабораторная работа

Физика

Лабораторна робота №5 ВИЗНАЧЕННЯ ПОСТІЙНОЇ ПЛАНКА ЗА СПЕКТРОМ АТОМА ВОДНЮ Мета роботи: Вивчення методу визначення постійної Планка за спектром водню. Прилади та обладнання: універсальний монохроматор УМ2 ртутнокварцова лампа джерело живлення Спектр1 газороз...

Русский

2013-04-07

191.5 KB

5 чел.

Лабораторна робота №5

ВИЗНАЧЕННЯ ПОСТІЙНОЇ ПЛАНКА

ЗА СПЕКТРОМ АТОМА ВОДНЮ

Мета роботи: Вивчення методу визначення постійної Планка за спектром водню.

Прилади та обладнання: універсальний монохроматор УМ-2, ртутно-кварцова лампа, джерело живлення «Спектр-1», газорозрядна трубка з воднем, випрямляч ВС-24М.

Теоретичні відомості

Перша наукова модель – модель атома Томсона, – яка представляла його як згусток матерії майже сферичної форми розмірами порядку декількох ангстрем (10-10 м) з рівномірно розподіленим по всьому об’єму позитивним зарядом і вкрапленими в нього електронами, в подальшому виявилась неправильною. Дослідами Е.Резерфорда і його співробітників по розсіянню альфа-частинок була створена основа для планетарної (або ядерної) моделі атома: електрони, що рухаються за законами класичної механіки навколо позитивно зарядженого ядра, яке містить майже всю масу атома. Однак і ця модель була далеко недосконалою. Справа в тому, що за законами класичної електродинаміки електрон, який рухається з прискоренням по атомній орбіті, випромінює енергію. Виходить, що через дуже малий проміжок часу він повинен впасти на ядро і атом повинен закінчити своє існування. Однак досліди показують, що атоми являються стійкими системами.

Вихід з такого положення був знайдений в 1913 році датським фізиком Н.Бором, який створив першу некласичну (напівквантову) модель атома. Щоб вийти з цих труднощів ядерної моделі, Бор висунув припущення, які складаються з двох постулатів.

І постулат. Атоми речовини знаходяться в стаціонарних станах (які не змінюються з часом), в яких атоми не випромінюють анергію. Інакше, електрони в атомі рухаються навколо ядра не по нескінченій множині орбіт, а лише по декількох (дискретних), на яких вони не випромінюють електромагнітні хвилі.

Стаціонарними є ті орбіти, на яких момент імпульсу (момент кількості руху) електрона пропорційний постійній Дірака :

,      (1)

– постійна Дірака;  Дж∙с – постійна Планка  – маса електрона;  – радіус -ої орбіти електрона і його швидкість на ній.

II постулат. Випромінювання (поглинання) енергії відбувається у вигляді кванта  під час переходу з одного стаціонарного стану в інший, або інакше, під час переходу електрона з однієї орбіти на іншу. Величина цього кванта дорівнює різниці енергій стаціонарних станів, між якими відбувається перехід

.      (2)

Існування дискретних енергетичних рівнів ,  атома було підтверджено вже в 1913 р. дослідами Франка і Герца. Постулати Бора дозволили одержати теорію атома водню (воднеподібних атомів), яка дала результати, практично точно співпадаючі з дослідом.

Енергія електрона на -тому рівні згідно теорії Бора

, де    (3)

Схема енергетичних рівнів, які визначаються виразом (3), приведена на рис. 1. Під час переходу атома водню із стану  в стан  згідно другого постулату Бора випромінюється квант енергії , або

  (4)

З виразу (4) можна знайти постійну Планка

.    (5)

де  м/с – швидкість світла у вакуумі;  – маса електрона.

Оскільки спостерігається спектральна серія Бальмера, то в усіх розрахунках . Значення  для перших чотирьох ліній цієї серії  будуть відповідно 3, 4, 5 і 6.

Незважаючи на збіг висновків теорії Бора з дослідом, вона мала ряд значних недоліків і перш за все:

  1.  теорія мала напівкласичний характер, тобто не була послідовно ні
    класичною, ні квантовою;
  2.  модель Бора дозволяла обчислювати лише деякі величини, наприклад, частоти (довжині хвиль) спектральних ліній, але не могла визначити їх інтенсивності;
  3.  теорія була створена лише для атома водню і воднеподібних атомів, вона була непридатною вже для атома з двома електронами
    (атом гелію).

Для виміру довжин хвиль спектральних ліній використовуються універсальний монохроматор УМ-2 (рис. 2).

  1.  Вхідна щілина 1 з мікрометричним гвинтом 9 дозволяє відкривати щілину на потрібну ширину.
    1.  Коліматорний об’єктив 2 з мікрометричним гвинтом, який дозволяє зміщувати об’єктив відносно щілини під час фокусування на спектральні ліній різних кольорів.
    2.  Спектральна призма 3, що розміщена на обертовому столику 6, складається з трьох склеєних призм , , . Перші дві призми із заломлюючими кутами 30° виготовлені з важкого флінта, з великою дисперсією. Проміжна призма c зроблена з крона. Промені відбиваються від її гіпотенузної грані і повертаються на кут 90°. Завдяки такій будові дисперсії призм  і  складаються.
    3.  Столик 6 обертається навколо вертикальної осі за допомогою мікрометричного гвинта з барабаном 7. На барабані нанесена гвинтова доріжка з поділками. Вздовж доріжки рухається показник повороту барабана. Під час обертання призма повертається, і в центрі поля зору з’являються різні ділянки спектра.
    4.  Зорова труба, що складається з об’єктива 4 і окуляра 5. Об’єктив 4 дає зображення вхідної щілини 1 у своїй фокальній площині. В цій же площині розташований і візир 10. Зображення розглядається через окуляр 5.
    5.  Масивний корпус 11, який захищає прилад від псування і забруднення.
    6.  Оптична лава з джерелами світла.
    7.  Пульт управління живленням джерел світла.

Для вимірювання довжини хвилі лінії її центр суміщають з вістрям візира 10. Відлік ведеться по поділках барабана. Ширину щілини при цьому встановлюють 0,02-0,03 мм. Для спостерігання дуже слабких ліній щілину можна розширювати до 0,05-0,06 мм. Око краще відмічає слабкі лінії в русі, тому під час спостереження зручно злегка повертати барабан в обидві сторони від середнього положення. Спектроскоп УМ-2 потребує попереднього градуювання, яке зручно проводити по випромінюванню ртутно-кварцової лампі. Таблиця спектральних ліній цієї лампи з вказівкою відносної їх яскравості наведена в таблиці 1.

Хід роботи

  1.  Ввімкнути монохроматор і ртутно-кварцову лампу, користуючись відповідними тумблерами на блоці живлення УМ-2. Встановити лампу на відстані близько 30 см від вхідної щілини 1, ширину якої необхідно встановити мікрометричним гвинтом 9 близько 0,05-0,06 мм.
  2.  Включити ртутно-кварцову лампу натисканням кнопки на блоці живлення. За допомогою окуляра 8 зорової труби спостерігати чітке зображення спектра і візира 10 шкали.
  3.  Проградуювати УМ-2, тобто поставити у відповідність поділкам його барабана довжини хвиль із таблиці 1.

Таблиця 1

Спектральні лінії ртуті

Експериментальні дані

колір

яскравість

довжина хвилі λ, Å

поділки

червона

дуже слабка

6907

червона

дуже слабка

6123

жовта

дуже сильна

5791

жовта

дуже сильна

5770

зелена

сильна

5461

блакитна

дуже слабка

4916

синьо-фіолетова

сильна

4358

фіолетова

дуже слабка

4078

фіолетова

дуже слабка

4047

Градуювальну криву побудувати на міліметровому папері. По осі абсцис відкладати поділки барабана, а по осі ординат – довжини хвиль відповідних ліній з таблиці 1. Інколи при побудові графіка деякі експериментальні точки «випадають» із плавної кривої. Частіше все це свідчить про неправильну розшифровку лінійчатого спектру, який спостерігаємо В цьому випадку необхідно більш уважно порівняти спектр з таблицею і внести в графік необхідні виправлення.

  1.  Включити водневу газорозрядну трубку, підключивши високовольтне джерело живлення «Спектр-1» до випрямляча.
  2.  Вивчити спектр водню і записати довжини хвиль, використовуючи градуювальний графік.
  3.  За виміряними величинами  з формули (5) обчислити постійну Планка для  ліній. Результати занести в таблицю 2.
  4.  Визначити середнє значення постійної Планка.

Таблиця 2

Спектральна лінія водню

Постійна Планка
, Дж·с

Колір

Поділки барабана

, м

червона H

зелено-блакитна H

фіолетово-синя H

фіолетова Hδ

Контрольні запитання

  1.  В чому суть моделі атома Резерфорда? Які її недоліки?
  2.  Викласти суть моделі атома Бора.
  3.  Привести математичний вираз постулатів Бора.
  4.  Одержати вираз для постійної Планка на основі теорії атома Бора.
  5.  Які недоліки моделі атома Бора?
  6.  Що являє собою спектр водню?
  7.  Яка будова принцип дії і призначення універсального монохроматора?

4

Е

Е

Е3

Е2

Е1

Рис.1

2

Рис.2.

Джерело світла

а

3

в

с

6

11

4

5

10

7

8

9

1

  1.  

 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

81582. Физиологически активные пептиды мозга 109.08 KB
  Нейропептиды осуществляют контроль за экспрессией вторичных клеточных мессенджеров, цитокинов и других сигнальных молекул, а также за запуском генетических программ апоптоза, антиапоптозной защиты, усиления нейротрофического обеспечения. Такие регуляторные (модуляторные) влияния устраняют общую дезинтеграцию во взаимодействии сложных и часто разнонаправленных молекулярно-биохимических механизмов
81583. Предмет и задачи биологической химии. Обмен веществ и энергии, иерархическая структурная организация и самовоспроизведение как важнейшие признаки живой материи 106.91 KB
  Обмен веществ и энергии иерархическая структурная организация и самовоспроизведение как важнейшие признаки живой материи. Она изучает химическую природу веществ входящих в состав живых организмов их превращения а также связь этих превращений с деятельностью клеток органов и тканей и организма в целом. Из этого определения вытекает что биохимия занимается выяснением химических основ важнейших биологических процессов и общих путей и принципов превращений веществ и энергии лежащих в основе разнообразных проявлений жизни. Важнейшим...
81584. Гетеротрофные и аутотрофные организмы: различия по питанию и источникам энергии. Катаболизм и анаболизм 106.04 KB
  Живые клетки постоянно нуждаются в органических и неорганических веществах а также в химической энергии которую они получают преимущественно из АТФ АТР. Гетеротрофы например животные и грибы зависят от получения органических веществ с пищей. Так как большая часть этих питательных веществ белки углеводы нуклеиновые кислоты и липиды не могут утилизироваться непосредственно они сначала разрушаются до более мелких фрагментов катаболическим путем. Процесс обмена веществ определяется двумя сопряженными процессами: анаболизма и...
81585. Многомолекулярные системы (метаболические цепи, мембранные процессы, системы синтеза биополимеров, молекулярные регуляторные системы) как основные объекты биохимического исследования 103.39 KB
  Метаболическая цепь состоящая из реакций протекающих внутри одной системы называется внутренней. Следствием такого пересечения является возникновение метаболической сети биологической системы. Молекулярные регуляторные системы системы направленные на поддержание гомеостаза.
81586. Уровни структурной организации живого. Биохимия как молекулярный уровень изучения явлений жизни. Биохимия и медицина (медицинская биохимия) 105.42 KB
  Биохимия как молекулярный уровень изучения явлений жизни. Жизнь имеет следующие уровни организации: Молекулярный уровень отражает особенности химизма живого вещества а также механизмы и процессы передачи генной информации Клеточный и субклеточный уровни отражают особенности специализации клеток а также внутриклеточные структуры. Организменный и органнотканевый уровни отражают признаки отдельных особей их строение физиологию поведение а также строение и функции органов и тканей живых существ Популяционновидовой уровень ...
81587. Основные разделы и направления в биохимии: биоорганическая химия, динамическая и функциональная биохимия, молекулярная биология 103.21 KB
  Биохимия включает в себя: Биоорганическая химия изучает вещества лежащие в основе процессов жизнедеятельности в непосредственной связи с познанием их биологической функции. Основные объекты БОХ биополимеры превращения которых составляют химическую сущность биологических процессов и биорегуляторы которые химически регулируют обмен веществ. БОХ занимается получением этих веществ в химически чистом состоянии установлением строения синтезом выяснением зависимостей между строением и биологическими свойствами изучением химических...
81588. История изучения белков. Представление о белках как важнейшем классе органических веществ и структурно-функциональном компоненте организма человека 111.39 KB
  Белки были выделены в отдельный класс биологических молекул в XVIII веке в результате работ французского химика Антуана Фуркруа и других учёных в которых было отмечено свойство белков коагулировать денатурировать под воздействием нагревания или кислот. Голландский химик Геррит Мульдер провёл анализ состава белков и выдвинул гипотезу что практически все белки имеют сходную эмпирическую формулу. Мульдер также определил продукты разрушения белков аминокислоты и для одной из них лейцина с малой долей погрешности определил молекулярную...
81589. Аминокислоты, входящие в состав белков, их строение и свойства. Пептидная связь. Первичная структура белков 123.13 KB
  αАминокислоты представляют собой производные карбоновых кислот у которых один водородный атом у αуглерода замещен на аминогруппу NH2. Аминокислоты будут отличаться друг от друга химической природой радикала R представляющего группу атомов в молекуле аминокислоты связанную с αуглеродным атомом и не участвующую в образовании пептидной связи при синтезе белка. Почти все αамино и αкарбоксильные группы участвуют в образовании пептидных связей белковой молекулы теряя при этом свои специфические для свободных аминокислот...
81590. Зависимость биологических свойств белков от первичной структуры. Видовая специфичность первичной структуры белков (инсулины разных животных) 103.07 KB
  Видовая специфичность первичной структуры белков инсулины разных животных. Стабильность первичной структуры обеспечивается в основном главновалентными пептидными связями; возможно участие небольшого числа дисульфидных связей. В некоторых ферментах обладающих близкими каталитическими свойствами встречаются идентичные пептидные структуры содержащие неизменные инвариантные участки и вариабельные последовательности аминокислот особенно в областях их активных центров.