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

19 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

20624. Мегамир, основные космологические и космогонические представления 115 KB
  среднее расстояние от Земли до Солнца равное 15×1011м. Все планеты остывшие тела светящиеся отраженным от Солнца светом. Солнечная система Девять планет вращающиеся вокруг Солнца принято делить на две группы: планеты Земной группы Меркурий Венера Земля Марс и планетыгиганты Юпитер Сатурн Уран Нептун Плутон. Считается что диаметр Солнечной системы равен приблизительно 6×1016 м: на этом расстоянии планеты удерживаются силой тяготения Солнца.
20625. Мегамир. Основные космогонические представления 81.5 KB
  Звезды их характеристики источники энергии2. Звезды их характеристики источники энергии Более 90 видимого вещества Вселенной сосредоточено в звездах. Именно звезды и планеты были первыми объектами астрономических исследований. Пожалуй лишь диск нашего солнца позволяет реально наблюдать процессы происходящие на поверхности звезды.
20626. Мегамир, основные космогонические представления 107 KB
  Имеются многочисленные данные подтверждающие предположение что звезды образуются при конденсации облаков межзвездной пыли и газа. Глобула становится зародышем будущей звезды протозвездой и начинает светиться так как энергия движения частиц переходит в тепло. Дальнейшее сжатие протозвезды приводит к такому повышению температуры и давления что становятся возможными термоядерные реакции синтеза гелия из водорода. При этом силы тяготения стремящиеся сжать вещество звезды уравновешиваются силами внутреннего давления.
20627. Химическая эволюция Земли 81.5 KB
  Общая теория химической эволюции и биогенезаТеории возникновения жизниГипотеза ОпаринаХолдейна Контрольные вопросыЛитература Ранее уже говорилось о том что использование ЭВМ позволило строить и рассчитывать образование и развитие солнечной системы и Земли в частности на различных моделях. Химическая эволюция Земли В процессе эволюции Земли складывались определенные пропорции различных элементов. Земля наиболее массивная среди внутренних планет прошла сложнейший путь химической эволюции. Следует подчеркнуть что геологическая история Земли...
20628. Специфика живого 72 KB
  Предмет изучение задачи и методы биологииТри образа биологииАксиомы биологии 2. Предмет изучения задачи и методы биологии Биология совокупность или система наук о живых системах. Предмет изучения биологии все проявления жизни а именно: строение и функции живых существ и их природных сообществ; распространение происхождение и развитие новых существ и их сообществ; связи живых существ и их сообществ друг с другом и с неживой природой. Задачи биологии состоят в изучении всех биологических закономерностей и раскрытии сущности жизни.
20629. Термодинамика живых систем. Жизнь как информационный процесс 76.5 KB
  Термодинамика живых систем Состояние живых систем в любой момент времени динамическое состояние характерно тем что элементы системы постоянно разрушаются и строятся заново. Это означает что живые системы обязательно должны быть открытыми системами. Именно на этом неравновесии основана работоспособность живой системы направленная на поддержание высокой упорядоченности своей структуры а. Переход живо системы в такое состояние означает для нее смерть.
20630. Концепция эволюции в биологии 87 KB
  Концепция эволюции в биологии 1. Современная синтетическая теория эволюцииОсновные законы эволюцииОсновные факторы эволюцииФормы естественного отбора Контрольные вопросыЛитература Под эволюцией подразумевается процесс длительных постепенных медленных изменений которые в конечном итоге приводят к изменениям коренным качественным завершающимся образованием новых систем структур и видов. Представления об эволюции в естествознании имеют ключевое значение. [1] Парадигма современного естествознания это эволюционносинергетическая...
20631. Человек. колого-эволюционные возможности человека 110.5 KB
  Место человека в системе животного мира и антропогенез2. Основные этапы развития Человека Разумного3. Экологоэволюционные возможности человека5. Место человека в системе животного мира и антропогенез Вопрос о происхождении человека имеет не только научное значение: с позиций эволюционной биологии или чисто зоологической точки зрения это частный филогенетический вопрос.
20632. Биосфера и цивилизация 72.5 KB
  Живые организмы входящие в состав биоценоза неодинаковы с точки зрения специфики ассимиляции ими вещества и энергии из ОС. Совокупность множества параметров среды определяющих условия существования того или иного вида и его функциональных характеристик преобразование им вещества и энергии обмен информацией со средой и с себе подобными и др. Энергетика основа цивилизации и без производства достаточного количества энергии человечество не сможет существовать и развиваться. Сегодня главный производитель энергии теплоэлектростанции ТЭС...