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

49466. Дисковая акустическая антенна 658.5 KB
  Основные соотношения для дисковой антенны. Конструкция антенны. По способу создания пространственной избирательности антенны можно подразделять на интерференционные фокусирующие рупорные и параметрические. Интерференционные антенны можно подразделять на непрерывные и дискретные.
49468. Создание компьютерной программы «Расчет длительности опреации на конвейре» 50.27 KB
  Компьютерные продукты являются объектами нематериальных активов – это часть активов предприятия, которые обладают стоимостью, но не имеют материального содержания. Они используются в хозяйственном обороте и способны приносить доход. Расчет оплаты специалистов производиться исходя из дневной тарифной ставки каждого.
49469. Проектирование электрического освещения ремонтно-механического цеха 1.25 MB
  Проектирование электрического освещения ремонтно-механического цеха по дисциплине: Электрическое освещение Выполнила студентка гр. Выбор источников света для системы общего равномерного освещения цеха и вспомогательных помещений Светотехнический расчёт системы общего равномерного освещения и определение установленной мощности источников света в помещениях Выбор источников света типов светильников их размещение и светотехнический расчёт...
49470. Проектирование электрического освещения 434 KB
  Выбор того или иного источника света определяется требованиями к освещению (цветность излучения, зрительный комфорт, показатель блескости и других) и выполняется на основании сопоставления достоинств и недостатков существующих источников света. При этом предпочтение необходимо отдавать...