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

4 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

72645. Последовательность выполнения операторов в программной единице 12.99 KB
  Любая программная единица представляет собой последовательность операторов и комментариев. Комментарии могут располагаться в любом месте программной единицы. Они не влияют на ход выполнения программы. Порядок следования операторов в программе существен.
72646. Логические выражения 14.67 KB
  Результатом логического выражения является величина типа LOGICAL. Простейшие формы логических выражений следующие: Логические константы. Ссылки на логические переменные. Ссылки на элементы логических массивов. Ссылки на логические функции. Выражения отношения.
72647. Арифметические выражения 13.77 KB
  Используемые величины переменных или элементов массивов должны быть определены до того, как они появятся в арифметическом выражении. Также, величины целых переменных должны быть арифметическими, а не величинами меток операторов, установленными оператором ASSIGN.
72648. Размещение элементов массива в памяти ЭВМ 11.81 KB
  Если массив одномерный то его элементы хранятся в памяти друг за другом например А1 А2 А3 А4 Во многих языках программирования например в СИ элементы двумерного массива располагаются в памяти ЭВМ по строкам в Фортране по столбцам.
72649. Понятие массива 18.25 KB
  Каждый массив должен быть описан в начале программы с помощью оператора размерности DIMENSION с указанием предельных значений каждого индекса, которые задаются целыми константами. Это необходимо для того, чтобы зарезервировать соответствующий объем памяти для хранения элементов массива.
72650. Формы представления данных в памяти ЭВМ 12.71 KB
  Под кодированием понимается переход от исходного представления информации, удобного для восприятия информации человеком, к представлению, удобному для хранения, передачи и обработки. Информация в памяти ЭВМ записывается в виде цифрового двоичного кода.
72651. Запись операторов в свободном и фиксированном форматах 12.37 KB
  Для записи комментариев ставится символ С в первой позиции строки далее до конца строки любой текст считается комментарием и игнорируется компилятором. Допускается запись нескольких операторов на одной строке разделителем является символ...
72652. Константы. Типы констант 13.61 KB
  Константа — это величина, которая не изменяется в программе в процессе программирования, то есть её значение не изменяется. Типы констант Существуют константы следующих типов: Целые — это простые целые числа любого знака. Например: 3; 157.
72653. Алфавит и имена переменных 13.42 KB
  Все другие ASCII символы могут применяться только в символьных константах. Пробелы используются для удобочитаемости программ. Они игнорируются компилятором, если не находятся внутри символьной константы.