2560

Спектр атома водорода

Лабораторная работа

Физика

Цель работы: измерить длины волн трех линий в спектре атома водорода и вычислить значение постоянной Ридберга.

Русский

2013-01-06

82.38 KB

20 чел.

Цель работы: измерить длины волн трех линий H, H, H в спектре атома водорода и вычислить значение постоянной Ридберга.

Изучение атомных спектров послужило ключом к познанию строения атома. Прежде всего, было замечено, что линии в спектрах атомов располагается не беспорядочно, а группируется в так называемые серии. Отчетливее всего это обнаруживается в спектре атома водорода, изображенном на рис. 1.

Р и с. 1

Очевидно, что линии располагаются в определенном порядке в виде серий, а расстояние между линиями в каждой серии закономерно убывает по мере перехода от более длинных волн к более коротким. Швейцарский физик Иоганн Бальмер обнаружил (1885 г.), что длины волн линий водорода могут быть точно представлены формулой (1) или, при переходе от длины волны к частоте, , (2) где R = 109737 см-1 (3)  эмпирическая постоянная, называемая постоянной Ридберга, с  скорость света в вакууме.

С помощью формул (1) и (2) можно получить λ иди υ любой линии в любой серии. Так, если положить n2 = 1, а величине n1 придавать значения 2,3,4,... , то получим длины волн (частоты) линий в серии Лаймана:

серия Лаймана: n2 = 1, n1 = 2,3,4 ... (ультрафиолетовая область)

Аналогично, линии остальных серий получаются при следующих значениях n2 и n1:

серия Бальмера: n2 = 2, n1 = 3,4,5 ... (видимая область)

серия Пашена: n2 = 3, n1 = 4,5,б... (инфракрасная область)

серия Брэкета: n2 = 4, n1 = 5,6,7 (инфракрасная область)

серия Пфунда: n2 = 5, n1 = б,7,8 ... (инфракрасная область)

Кратко рассмотрим конечный результат квантовомеханического описания атома водорода. Здесь состояние атома задается также тремя квантовыми числами: главным n, орбитальным l и магнитным m, которые принимают несколько иные значения, а именно:

n = 1, 2, 3,...; l = 0, 1, 2,...n1; m = 0, 1, 2, …  l.

С одной стороны, эти квантовые числа задают состояние электрона в виде так называемой волновой функции ( Величину ни в коем случае нельзя понимать как траекторию электрона. В квантовой механике понятие траектории лишено общепринятого смысла), квадрат модуля которой определяет вероятность dW того, что частица будет обнаружена в пределах элементарного объема dV:  или, другими словами, дает плотность вероятности (вероятность, приходящуюся на единицу объема) нахождения частицы в данном месте пространства, т.е. .

С другой стороны, квантовые числа n, l, m определяют некоторые физические величины, характеризующие состояния атома водорода. Так, возможные значения энергии атома определяется точно так же, как и в случае модели Бора-Зоммерфельда, а именно: (13)

Момент импульса и его проекции определяются следующим образом: (14) (15). Чисто внешне приведенные результаты похожи на результаты теории Зоммерфельда. Здесь также можно говорить о вырождении энергетических уровней: уровень с данным n n-кратно вырожден по l, состояние с данным l (2l+1)-кратно вырождено по m. В целом же, уровень с данным n n2 – кратно вырожден по l и т. Возможные состояния атома водорода (результат квантово-механического рассмотрения) и спектроскопические обозначения состояний даны на рис. 6, а и 6, б, соответственно.  

l

0

1

2

3

4

Состояние

s

p

d

f

g

a)

б)

Р и с. 6

Однако результаты этих двух теорий имеют и существенные различия. Так, в квантовой теории нельзя говорить о траектории электрона; величину весьма утрированно (и не совсем корректно) можно трактовать как распределение электрического заряда электрона около ядра; плотность такого электронного облака выше там, где величина имеет большее значение.

При квантовомеханическом рассмотрении атома водорода оказывается, что при различных значениях n квантовое число l может принимать, в частности, нулевое значение, т.е. в состояниях с определенными, отличными от нуля, значениями энергии атома Еn величина момента импульса электрона может оказаться равной нулю (такие случаи соответствуют сферически симметричным волновым функциям). Кроме того, из сравнения выражений (14) и (15) следует, что, при разрешенных взаимосвязях между квантовыми числами l и m, величина проекции момента импульса Nz никогда не может достигать величины самого момента N. Эти и подобные им эффекты, согласующиеся с экспериментом, не имеют аналога в классической физике и поэтому называются квантовыми эффектами.

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ

В данной работе источником излучения является водородная газоразрядная трубка. Спектр анализируется визуально с помощью монохроматора УМ-2.

  1.  С помощью монохроматора и градуировочного графика определить длины волн водородных линий Н, Н, Н.
  2.  Для каждой из наблюдаемых линий вычислить значение постоянной Ридберга, определить ее среднее значение по всем измерениям.

 

Вывод: был получен спектр атома водорода, также вычислена экспериментально постоянная Ридберга.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

24536. Физические организации файловой системы NTFS 42.33 KB
  Физические организации файловой системы NTFS. Физические организации файловой системы NTFS. Аббревиатура NTFS означает New Technology File System новая технология файловой системы. NTFS содержит ряд значительных усовершенствований существенно отличающих ее от других файловых систем.
24537. Системы программирования: состав систем программирования. Этапы разработки ПО 124.23 KB
  Современные системы программирования как правило представляют собой интегрированную среду разработки integrated development environment IDE к компонентам которой относятся следующие программные средства: текстовый редактор editor предназначенный для создания текстов исходной программы на языке высокого уровня ЯВУ или ассемблере макроассемблере; компилятор compiler составитель предназначенный для трансляции перевода исходного текста входной программы в эквивалентную ей выходную программу объектный код на языке нижнего...
24538. Виды ресурсов вычислительной системы 14.16 KB
  Ресурсы запрашиваются используются и освобождаются процессами. По форме реализации различают: аппаратные ресурсы Hard; программные ресурсы Soft; информационные ресурсы. По способу выделения ресурса различают: неделимые ресурсы предоставляются процессу в полное распоряжение; делимые ресурсы предоставляются процессу в соответствии с запросом на требуемое количество ресурса. Делимые ресурсы в свою очередь можно разделить на те которые могут использоваться процессами одновременно или попеременно.
24539. Структура и виды программного обеспечения (ПО). Характеристика системного ПО 15.33 KB
  ПО Прикладное Операционные системы Система управления файлами Операционные оболочки Утилиты Системы программирования Базы данных САПР Электронные таблицы Издательские системы ПО для математических расчетов Системное Рис. Cистемное ПО можно разделить на следующие группы: операционные системы ОС; системы управления файлами; операционные оболочки; утилиты; системы программирования. Современные системы программирования представляют собой интегрированную среду разработки IDE объединяющую редактор текста компилятор языка...
24540. Классификация ОС 13.63 KB
  Примером таких ОС является семейство Windows и Linux. Среди ОС специального назначения можно выделить следующие разновидности: ОС для карманных компьютеров сотовых телефонов и другой бытовой техники например PalmOS и Windows CE Consumer Electronics бытовая электроника; ОС для встроенных систем телевизоров СВЧ печей стиральных машин и т. По режиму обработки задач различают однозадачные например MSDOS MSX и многозадачные ОС OC EC OS 2 UNIX Windows. По способу взаимодействия пользователя с системой различают...
24541. Назначение и основные функции операционной системы (ОС) для автономного компьютера 13.74 KB
  Назначение и основные функции операционной системы ОС для автономного компьютера.2 Операционные системы для автономного компьютера Операционная система компьютера представляет собой комплекс взаимосвязанных программ который действует как интерфейс между приложениями и пользователями с одной стороны и аппаратурой компьютера с другой стороны. В соответствии с этим определением ОС выполняет две группы функций: предоставление пользователям и программистам вместо реальной аппаратуры компьютера расширенной виртуальной машины с которой удобней...
24542. Сетевые операционные системы: функциональные компоненты и варианты построения 46.02 KB
  Сетевые операционные системы: функциональные компоненты и варианты построения.3 Сетевые операционные системы. Различают сетевые и распределенные ОС. Распределенная ОС предоставляет пользователю сетевые ресурсы в виде ресурсов единой централизованной виртуальной машины.
24543. Одноранговые и серверные операционные системы 79.16 KB
  В зависимости от того как распределены функции между компьютерами сети они могут выступать в трех разных ролях: выделенный сервер сети компьютер обслуживающий запросы других компьютеров т. В одноранговых сетях рабочих группах на все компьютеры устанавливается такая ОС которая предоставляет всем компьютерам в сети потенциально равные возможности. Схема одноранговой сети При потенциальном равноправии всех компьютеров в одноранговой сети часто возникникает функциональная несимметричность которая обусловлена тем что одни компьютеры...
24544. Принципы построения ОС 15.76 KB
  Принципы построения ОС.1 Принципы построения ОС. Однако в их основу положены общие принципы перечисленные ниже. Принцип модульности.