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

82474. Проблема сбалансированности государственного бюджета. Государственный долг и его экономические последствия 34.92 KB
  Различают два вида государственного долга: внутренний и внешний. Серьезные проблемы и негативные последствия большого государственного долга заключаются в следующем:  Снижается эффективность экономики поскольку отвлекаются средства из производственного сектора экономики как на обслуживание долга так и на выплату самой суммы долга;  Перераспределяется доход от частного сектора к государственному;  Усиливается неравенство в доходах;  Рефинансирование долга ведет к росту ставки процента что вызывает вытеснение инвестиций в...
82475. Инфляция и антиинфляционная политика. Причины и виды инфляции. Эффект Фишера. Кривая Филлипса 35.29 KB
  Причины и виды инфляции. Антиинфляционная политика это комплекс мер по государственному регулированию экономики направленный на подавление инфляции. Причины инфляции: нарушение закона денежного обращения; диспропорции между спросом и предложением; диспропорции между доходами и расходами государства; диспропорции между источниками кредитных ресурсов и их использованием; диспропорции между денежной массой в обращении и реальными потребностями. Виды инфляции...
82476. Социальная политика государства. Кривая Лоренца и коэффициент Джини 40.92 KB
  Кривая Лоренца и коэффициент Джини. Для измерения фактического распределения доходов используюткривую Лоренца и коэффициент Джинипоказывающие какая доля совокупного дохода приходится на каждую группу населения что позволяет судить об уровне экономического неравенства в данной стране. Кривая Лоренца это метод графического изображения уровня концентрации явления. Равномерное распределение признака будет представлено в таком случае диагональю называемой линией равномерного распределения а неравномерное линией Лоренца...
82477. Экономический цикл: понятие, модели, виды. Государственное антициклическое регулирование 33.31 KB
  Кейнсианский подход: государством используются финансовобюджетные инструменты денежнокредитная политика играет вспомогательную роль. В фазе кризиса и депрессии увеличиваются государственные расходы проводится политика дешевых денег. Классический подход: основным инструментом является денежнокредитная политика. Проводится политика дорогих денег кредитная рестрикция путем повышения ставок что должно содействовать борьбе с перенакоплением капитала.
82478. Финансовая система. Госбюджет и его структура. Центральный банк и кредитно-финансовые институты 28.16 KB
  Финансовая система: Финансы властных структур Федеральные финансы Бюджет Внебюджетные фонды Пенсионный фонд Фонд социального страхования Фонд обязательного медицинского страхования Финансы субъектов Федерации Бюджет Внебюджетные фонды Финансы местного самоуправления Бюджет Финансы предприятий Финансы населения Финансы властных структур делятся на государственные и муниципальные местного самоуправления. Финансы федеральной власти субъектов Федерации и муниципальные финансы делятся на бюджетные фонды или проще бюджеты и...
82479. Денежно-кредитная система. Кредиты, их формы. Предложение кредитных денег коммерческими банками 33.21 KB
  Кредиты предоставляются на основе следующих принципов: возвратности означает необходимость возврата полученных от кре дитора финансовых ресурсов в полном объеме; срочность отражает необходимость его возврата не в любое приемле мое для заемщика время а в точно определенный срок зафиксированный в кредитном договоре; платность кредита выражает необходимость не только прямого воз врата кредита но и оплаты права на его использование в виде ссудного про цента; обеспеченность кредита выражает необходимость обеспечения защи ты...
82480. Деньги: возникновение, сущность, функции. Измерение денежной массы. Денежные агрегаты 32.39 KB
  Вторая деньги появились в результате эволюционного процесса который независимо от воли людей привел к тому что некоторые предметы выделились из общей массы и заняли особое место посредника в акте обмена. Сущность денег Деньги являются самым активным элементом экономики важнейшей частью экономической деятельности связующим звеном между участниками рынка и производством. Деньги обладают свойством обмениваемости на товары включая недвижимость драгоценности и художественные произведения. Функции денег Если рассматривать функции денег...
82481. Инфляция: сущность, виды, последствия 34.04 KB
  Сопровождается скачкообразным повышением цен от 1020 до 200300 в месяц. Рост цен не регулируется инфляция охватывает все сферы хозяйственной жизни. Поледствия инфляции: страдают больше всего те кто имеет фиксированные доходы; обесцениваются сбережение населения; падение реальной заработной платы по сравнению с номинальной; влияние на народное хозяйство: усиливается диспропорциональность развития производства; капиталы из сферы производства отвлекаются в спекулятивную торговлю; искажается нормальная структура потребительского...
82482. Антиинфляционная политика государства. Кривая Филлипса 46.16 KB
  Антиинфляционная политика государства может проводиться методами активной и адаптивной политики. Активная политика проводится с целью ликвидации причин инфляции а адаптивная для приспособления к ней экономики и смягчения ее отрицательных последствий. Активная антиинфляционная политика предполагает использование метода шоковой терапии при которой за короткий период времени уничтожаются причины инфляции как на стороне спроса так и на стороне предложения Адаптивная политика предполагает использование метода постепенного сокращения инфляции...