12131

ИЗУЧЕНИЕ СПЕКТРА ИСПУСКАНИЯ АТОМАРНОГО ВОДОРОДА В ВИДИМОЙ ОБЛАСТИ (СЕРИЯ БАЛЬМЕРА)

Лабораторная работа

Физика

Лабораторная работа № 16 ИЗУЧЕНИЕ СПЕКТРА ИСПУСКАНИЯ АТОМАРНОГО ВОДОРОДА В ВИДИМОЙ ОБЛАСТИ СЕРИЯ БАЛЬМЕРА Цель работы: определить частоты спектральных линий в видимой части спектра испускания водорода и вычислить значение постоянной Ридберга. Оборудование:

Русский

2013-04-24

69.5 KB

18 чел.

Лабораторная работа № 16

ИЗУЧЕНИЕ СПЕКТРА ИСПУСКАНИЯ АТОМАРНОГО ВОДОРОДА В ВИДИМОЙ ОБЛАСТИ (СЕРИЯ БАЛЬМЕРА)

Цель работы: определить частоты спектральных линий в видимой части спектра испускания  водорода и вычислить значение постоянной Ридберга.

Оборудование: водородная лампа, неоновая лампа, линза, монохроматор УМ-2 или МУМ.

Краткие теоретические сведения

Испускание света атомами происходит порциями – квантами при переходе электрона в атоме из одного стационарного состояния в другое, энергетически более низкое. Энергия кванта равна h, где h – постоянная Планка,
– частота испускаемого излучения.

Согласно квантовой механике, частота зависит от энергии стационарных состояний электрона в атоме следующим образом:

, (1)

где En и Ek – энергии исходного и конечного стационарных состояний атома соответственно; k – номер энергетического уровня атома, на который совершается переход электрона после излучения, n – номер уровня, с которого переходит электрон при излучении атомом электромагнитной энергии. R – постоянная Ридберга; c = 3∙108 м/с – скорость света в вакууме.

Линии спектра водорода  группируются в серии (см. рис.1).

Серия линий Лаймана возникает при переходе электронов из энергетически более высоких стационарных состояний в первое. Для этих линий
k = 1, n = 2, 3,… , а частоты находятся в ультрафиолетовой невидимой  области спектра.

Линии в видимой части спектра – серия Бальмера – характеризуются переходами электронов из состояний с номерами n = 3, 4, 5,… в состояния
с номером
k = 2. Переходу электрона из состояния n = 3 в состояние с k = 2 соответствует красная линия в спектре, переходу из состояния n = 4 в состояние с k = 2 – зелено-голубая линия и переходу из состояния n = 5 в состояние с k = 2 – фиолетовая линия в спектре водорода.

Переходы электронов на уровень с номером k = 3 с более высоких энергетических уровней образуют серию линий Пашена, частоты которых находятся в невидимой инфракрасной области спектра и т. д. Каждой спектральной линии соответствует определенная частота и длина волны , связанные соотношением

с = v.      (2)

 

Рис. 1

В данной работе необходимо экспериментально определить частоты трех наблюдаемых линий серии Бальмера. Пользуясь полученными результатами, вычислить из формулы (1) постоянную Ридберга.

Описание установки

Частоты спектра водорода измеряются с помощью монохроматора УМ-2, оптическая схема которого представлена на рис. 2. Свет от водородной лампы 1 фокусируется линзой 2 на входную щель 3 монохроматора. Щель находится в фокусе линзы 4 и входит в подвижную часть монохроматора, в так называемый коллиматор. Вращая маховичок 5, можно перемещать коллиматор вдоль оптической оси. Пройдя линзу 4, свет параллельным пучком падает на призму 6 и разлагается в спектр. Линза 7 фокусирует спектр в области наблюдения. Наблюдают спектр через окуляр 8. Окуляр имеет накатное кольцо, вращением которого можно добиться наиболее резкой картины наблюдения спектра. В нижней части щели 3 находится микрометрический винт, позволяющий изменять ширину щели.

Картину спектра наблюдают, вводя на середину поля зрения нужную его область. Для этого вращают барабан 9, расположенный справа от зрительной трубы монохроматора. Барабан снабжен шкалой, позволяющей определить повороты в градусах. Цена деления шкалы составляет 2. Отсчет положения спектральной линии производится в момент совмещения линии со стрелкой – указателем в центре поля зрения. Стрелка-указатель и картина спектра должны наблюдаться одинаково резко. Для этого устанавливают окуляр на резкое наблюдение стрелки-указателя, а затем, вращая маховичок 5, добиваются резкой картины наблюдения спектра. Входная щель имеет заслонку 10, прерывающую световой поток. В рабочем положении заслонка должна быть открыта.

Рис. 2

Шкала барабана градуируется в частотах. Для этого используется хорошо изученный спектр излучения неона, описание которого приведено в табл. 1.

                                                                                                                Таблица 1

Описание спектра испускания неона

Номер линии

Цвет и положение спектральной линии

Частота

(x1012 Гц)

Интенсивность (отн. ед.)

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

Красная, наиболее яркая среди красных линий

Красно-оранжевая, левая из двух близких линий

Желтая, самая яркая линия

Зеленая, левая из двух ярких линий

Зеленая, правая из двух ярких линий (дублетная)

Зеленая, правая из пяти равноудаленных линий

Сине-зеленая

Синяя

Сине-фиолетовая

Сине-фиолетовая

Сине-фиолетовая

468

490

515

556

563

596

621

645

685

701

711

20

10

20

20

10

5

10

3

1,5

1

1

Примечание. Для облегчения наблюдения красной линии 1, красно–оранжевой линии 2 и желтой линии 3 вся красно-желтая часть спектра неона представлена на отдельном рисунке на лабораторном стенде.


Порядок выполнения работы

1. Установить на оптическом рельсе неоновую лампу и направить ее излучение на входную щель монохроматора. Установить минимальную ширину щели. Наблюдая через окуляр спектр неона, совместить со стрелкой-указателем каждую из линий, описанных в табл. 1. Значение угла поворота по шкале барабана и длину волны из табл. 1 для каждой линии занести
в табл. 2. Переходя от ярких красных, оранжевых и желтых линий к слабым линиям в зеленой и синей областях спектра, следует постепенно увеличивать ширину щели.

Таблица 2

Номер линии спектра неона

Частота

(x1012 Гц)

Угол поворота

барабана (град)

2. Пользуясь данными табл. 2, построить градуированый график зависимости угла поворота от частоты. При построении графика придерживаться следующих масштабов. На оси «частота» 1 см должен соответствовать 10∙1012 Гц, на оси «угол поворота» 1 см должен соответствовать 100 поворота барабана.

3. Установить на оптическом рельсе водородную лампу и направить ее излучение на щель. Установить минимальную ширину щели. Вращая барабан, просмотреть всю видимую часть спектра. Определить по барабану положение следующих наиболее ярких линий: красной, зелено-голубой и фиолетовой, принадлежащих серии Бальмера. Помимо этих линий  в спектре могут наблюдаться посторонние линии, принадлежащие спектру излучения  буферного газа, которым, наряду с водородом,  заполнена газоразрядная трубка. Посторонние линии тоньше и слабее водородных. По этому признаку такие линии  следует отличать от водородных и игнорировать.    

4. Занести в табл. 3 показания шкалы барабана, соответствующие каждой из наблюдаемых линий спектра водорода.

5. Пользуясь построенным градуировочным графиком, определить частоты линий спектра водорода.

6. По рис. 1 установить номера уровней n и k исходного и конечного состояний электрона для каждой линии спектра водорода. Результаты занести в табл. 3.

7. По формуле (1) вычислить постоянную Ридберга для каждой линии серии Бальмера. Найти среднее значение постоянной Ридберга и сравнить его с табличным значением R = 1,097∙107 м-1.

Таблица 3

Спектральная линия водорода

(цвет)

Угол поворота барабана  (град)

Частота

v (Гц)

Номер верхнего уровня   n

Номер нижнего уровня

k

Постоянная

Ридберга
R-1)

Средн. значен.

R-1)

Красная

Зелено-голубая

Фиолетовая

Контрольные вопросы

1. Почему для градуировки берется спектр неона? Можно ли использовать спектр излучения другого элемента?

2. Перечислить серии спектра водорода. Какому переходу соответствует головная линия в каждой серии?

3. Чем определяется граница серии? Почему к границе серии интенсивность уменьшается?

4. Каким переходам соответствуют линии видимой части спектра водорода? Какая это спектральная серия?

Библиографический список

к лабораторной работе № 16

1. Савельев, И. В. Курс общей физики: учеб. пособие / И. В. Савельев. – СПб.: Лань, 2005. – Т. 3. – § 59.

2. Савельев, И. В. Курс общей физики. Волны. Оптика: учеб. пособие для втузов / И. В. Савельев. – М.: Астрель, 2003. – Т. 5. – гл. 3 § 3.6, 5.1.

3. Белонучкин, В. Е. Основы физики / В. Е. Белонучкин, Д. А. Заикин, Ю. М. Ципенюк. – М., 2001. –Т. 2. – ч. 4 гл. 9. § 9.2.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

35653. Кулинария. Творческий проект 1.21 MB
  Цели и задачи проекта: – расширение кругозора в области кулинарии; – развитие понятия о здоровом и рациональном питании характеристика пищевой ценности отдельных продуктов рекомендации по организации рационального питания; – восприятие различных национальных блюд освоение приготовления; – формирование умения сервировки стола правильно вести себя за столом. Искусство приготовления пищи. Правильно смешать все ингредиенты подобрать правильное количество того или иного продукта красиво подать блюдо Так почему бы не устроить из приготовления...
35654. Вязание крючком 134.39 KB
  Х б нитки коричневого цвета м 16 руб. Х б нитки жёлтого цвет м 16 руб. Самоотценка Экологическая оценка Мои нитки сделаны из натурального материала с добавлением искусственных материалов.
35655. Группа киноведов. Сравнение фильмов Сергея Бондарчука с работой Французского режиссера Дорнхельмом 57.5 KB
  Фахрутдинов Владислав В своей творческой работе я хочу сравнить два фильма снятых по роману Война и Мир с оригиналом произведения. За то время пока я собирал материал для этой работы я прочитал множество рецензий на оба фильма и сделал для себя вывод. Перейду сразу к самому интересному за что ругают оба фильма – это кино ошибки. Или в начале фильма обозначена сюжетная линия Николая Ростова и после 1807 года она почти полностью опущена.
35656. Лавочка. Творческий проект 40.1 KB
  Лавочки стол шкаф вот весь интерьер комнаты.ЦельПроявить свои способности в проектной деятельностиИзучить конструирования и технологию изготовления лавочки Научиться правильно пользоваться инструментами Изготовить Лавочку 4. Выбор изделияЛавочки весной и летом весьма востребованные изделия на даче когда люди много трудятся сажают растения и...
35657. Летняя сумочка. Вязание крючком 8.05 MB
  Связать изделие 4. Булавки вкалывают в изделие в три прокола таким образом чтобы острие осталось по возможности между слоев ткани. Незавершенное изделие лучше хранить завернув в ткань или положив в пакет. работа оформлена в законченное изделие в целом изделие производит благоприятное впечатление.
35658. Cервировка стола к завтраку 1.37 MB
  В переводе с английского слово завтрак (breakfast) означает «прервать пост». В зависимости от того, когда состоялся последний прием пищи, организм может голодать («постится») от 8 до 12 часов. Этот период значительно удлиняется, если завтрак пропускается.
35659. Изготовление блинчиков. Творческий проект 253.46 KB
  Опарное дрожжевое творог фрукты тесто начинка грибы Пресное повидло икра Выбор идеального варианта. Я выбрала из предложенных вариантов блинчики с ягодами и дрожжевое тесто. Некоторые национальные рецепты требуют добавления в тесто дрожжей или пищевой соды. Тесто не должно быть густым.
35660. Украшение дня рождения в японском стиле 919.84 KB
  Оценка стоимости изделия 10. Оценка изделия 11. Оценка проектирования Определение потребности Приближался мой день рождения. Планирование работы Распределить ткань на стены; Нарисовать акриловой черной краской на ткане иероглифы; В некоторых местах подвязать ткань красивой лентой; Оборудовать стол Надуть шарики Оценка стоимости изделия Для украшения стен нам понадобилось купить: ленты – на ленты мы потратили 120 рублей; ткань стоимость ткани не обсчитывается т.
35661. Лоскутное шитье. Творческий проект 749.98 KB
  Процесс выращивания этих культур обработки сырья был очень длительным и трудоемким поэтому ткани ткали шириной 40 см соответственно крою рубахи или полотенца чтобы при шитье практически не оставалось отходов. Ширина ситцевого полотна составляла 7580 см то есть была шире кроя одежды и смекалистые хозяйки оставшимися лоскутками стали удлинять детскую одежду украшать подолы рубах рукава и оплечья. Расчет себестоимости наименование использованных материалов цена руб. расход материалов на изделие затраты на материалыруб.