36758

Определение постоянного Планка спектрометрическим методом

Лабораторная работа

Физика

Цель работы: сформулировать гипотезу исследования по уровням сложности, проанализировать метод исследования спектра, исследовать спектр излучения атома водорода в видимой области спектра (серия Бальмера), определить постоянные Ридберга и Планка, объяснить методику их определения, выяснить, как соотносится сплошной и линейчатый спектры атома водорода.

Русский

2013-09-23

115.5 KB

3 чел.

Министерство образования Российской Федерации

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Наименование факультета – ЕНМ

Наименование выпускающей кафедры – Общая физика

Наименование учебной дисциплины - Физика

Лабораторная работа № 3-16.

«Определение постоянного Планка спектрометрическим методом».

Исполнитель:

Студентка, группы 13а61(_______) Королева Я.Ю.

                                                       подпись   

                                (_______)

                                                                                                                                          дата

Руководитель, профессор (_______) Крючков Ю.Ю.

                                                                     Должность, ученая степень, звание        подпись

          (_______)

                                                                                                                                          дата

Томск –2008

Цель работы: сформулировать гипотезу исследования по уровням сложности, проанализировать метод исследования спектра, исследовать спектр излучения атома водорода в видимой области спектра (серия Бальмера), определить постоянные Ридберга и Планка, объяснить методику их определения, выяснить, как соотносится сплошной и линейчатый спектры атома водорода.

Приборы и принадлежности: гониометр с голографической дифракционной решеткой, набор спектральных ламп с источником питания.

Краткое теоретическое введение

Согласно квантовой теории излучение света атомами вещества связано с изменением их энергетического состояния. Атом, излучающий квант света (фотон) частотой v, уменьшает свою энергию на величину . Величина  называется постоянной Планка и является одной из мировых универсальных констант. По теории Бора переход атома водорода из одного энергетического состояния в другое связан с переходом электрона атома с одной орбиты на другую. Орбиты электрона в атоме квантованы, и поэтому энергия атома водорода не может иметь любое произвольное значение. Дозволенные значения энергии ... в совокупности образуют линейчатый энергетический спектр. По теории Бора дозволенные значения энергии атома водорода рассчитывают по формуле (1), в которую входят:  - постоянная Планка;  - постоянная Ридберга;  - скорость распространения света в вакууме;  - номер энергетического состояния атома (номер уровня).

                                                                                                               (1)

Число  одновременно указывает номер орбиты, отсчитываемой от ядра, на которой находится электрон в данном энергетическом состоянии атома. При  атом водорода обладает наименьшей энергией (электрон при этом находится на орбите, ближайшей к ядру). Такое состояние атома называется нормальным. Состояния, для которых  ..., являются возбужденными. Атом водорода, находясь в этих состояниях, обладает большими значениями энергий. Энергетический спектр атома водорода, рассчитанный по формуле (1), и переходы, соответствующие линиям серии Бальмера. При переходе электрона с более удаленной орбиты на более низкую излучается квант света частотой , уносящий с собой энергию

                                                            .                                                                 (2)

В формуле (2)  и  представляют энергии атома в начальном и последующих состояниях. Эти энергии можно вычислить из (1), если известны числа  и .

В спектре атома водорода одна из групп спектральных линий соответствует переходам электрона на вторую орбиту () с более удаленных от ядра высоких орбит (...). Эти линии образуют серию Бальмера и имеют частоты, соответствующие видимой области оптического спектра. Частоты и длины волн в спектре излучения атома водорода можно рассчитать, используя формулы (1) и (2). Для линий серии Бальмера

                                            , где ...                                               (3)

Вместо (3) можно записать (4), если учесть, что :

                                                          .                                                              (4)

По теории Бора постоянная

                                                               ,                                                                 (5)

где  - заряд электрона, ;  - масса покоя электрона, ;  - скорость света в  вакууме, ;  - электрическая постоянная, .

Из (4) и (5) находим :

                                              при                                                  (6)

Это соотношение удобнее привести к виду (7), обозначив постоянный множитель через , который можно вычислить заранее

;

                                                        .                                                            (7)

Формула (7) показывает, что для определения постоянной Планка нужно измерить длины волн спектра излучения атомов водорода, соответствующих переходам электрона: с уровня 3 на уровень 2 (красная линия спектра); с уровня 4 на уровень 2 (голубовато-зеленая линия); с уровня 5 на уровень 2 (фиолетовая линия).

Методика определения постоянной Ридберга и Планка

Постоянная Ридберга рассчитывается по формуле (5), постоянная Планка - по формуле (7). Для определения постоянной Планка необходимо измерить длины волн спектра атома водорода в серии Бальмера (красной линии, голубовато-зеленой линии и фиолетовой линии).

Чтобы измерить длины волн спектральных линий неизвестного спектра с помощью гониометра, необходимо, прежде всего, знать постоянную дифракционной решетки, используемой в данной работе. Для этого надо измерить углы дифракции, под которыми будут наблюдаться спектральные линии известного спектра, например спектра излучения ртутной лампы. Постоянная решетки находится из условия усиления света при дифракции

                                                              ,                                                                  (8)

где  - постоянная решетки;  - угол дифракции;  - порядок спектра;  - длина волны монохроматического света. Зная постоянную решетки и заменив ртутную лампу на водородную, определяют углы дифракции, под которыми наблюдаются линии водородного спектра, а затем, пользуясь формулой (8), определяют длины волн наблюдаемых линий в спектре излучения атомов водорода.

Задание

1. Ознакомьтесь с работой гониометра-спектрометра ГС-2.

2. Определите постоянную дифракционной решетки, используемой в гониометре ГС-2 в качестве спектрального прибора.

3. Измерьте спектр излучения атома водорода.

4. Рассчитайте постоянную Планка и постоянную Ридберга.

Методика и техника эксперимента

I. Определение постоянной дифракционной решетки с помощью гониометра-спектрометра ГС-2.

1. Установите против выходного отверстия осветителя перед входной щелью гониометра ртутную лампу.

2. Включите ртутную лампу, (см. прил.).

3. Установите зрительную трубу гониометра на бесконечность.

4. Установите на столик гониометра дифракционную решетку.

5. Наблюдайте через окуляр гониометра линии спектра излучения ртути.

6. С помощью оптического микрометра гониометра измерьте угловое положение спектральных линий 1, 2, 3-го порядков спектра излучения атома ртути слева и справа от центрального максимума. Результаты измерений запишите в табл. 1.

7. По полученным данным, используя формулу (8), определите постоянную дифракционной решетки d и вычислите ее среднеарифметическое значение.

Таблица 1.

Номер линии

Цвет линии

Длина волны ртути

Угол дифракции (град)

1-й порядок

2-й порядок

3-й порядок

слева

справа

слева

справа

слева

справа

II. Измерение длин волн спектра излучения атомов водорода с помощью гониометра-спектрометра ГС-2 и дифракционной решетки и определение постоянной Планка и постоянной Ридберга.

1. Установите между выходным отверстием осветителя и входной щелью гониометра водородную лампу и зажгите в ней разряд.

2. С помощью оптического микрометра гониометра измерьте угловое положение спектральных линий 1, 2, 3-го порядков спектра излучения атомов водорода слева и справа от центрального максимума. Результаты измерений запишите в табл. 2.

Таблица 2.

Номер линии

Цвет линии

Длина волны ртути

Угол дифракции (град)

1-й порядок

2-й порядок

3-й порядок

слева

справа

слева

справа

слева

справа

3. Вычислите по формуле (8) длину волны для каждой спектральной линии в спектрах 1, 2 и 3-го порядков. В табл. 2 запишите среднеарифметическое значение длины волны для каждой спектральной линии.

4. Рассчитывайте по формуле (7) постоянную Планка, а по формуле (5) постоянную Ридберга.

5. Оцените погрешность в определении постоянной Планка.

Вывод:


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

55292. Реализация принципа систематичности и последовательности при формировании умения решать простые задачи 822.5 KB
  Принципы обучения возникли из потребностей педагогической практики как результат её обобщения например принципы наглядности прочности последовательности обучения. Современные принципы обучения учитывают особенности массового школьного обучения.
55293. Веселий поїзд 48 KB
  Мета: продовжувати вчити дітей визначати місце розташування предметів у просторі, користуючись поняттями «ліворуч», «праворуч», «біля», «перед», «за», «угорі», співвідносити величини предметів, кількість предметів з цифрами, розуміти слова та вирази: більше на один...
55294. Ми з природою дружимо 55 KB
  Мета. Сприяти формуванню рухів, що забезпечують вільне просування дитини у просторі; формувати вміння зберігати правильну поставу. Продовжувати вчити узгоджувати свої дії з діями інших дітей, змінювати напрямок і характер руху відповідно до сигналу під час ходьби та бігу.
55295. Природокористування 89 KB
  Мета: надати уяву стосовно того, що таке природокористування та які його види; звернути особливу увагу учнів на питання раціонального природокористування на прикладі використання альтернативних джерел енергії у різних країнах світу в тому числі і в Україні...
55296. Дивовижний світ природи 114.5 KB
  Розширювати дитячий кругозір і знання учнів про реальний світ у його зв’язках і залежностях; збагачувати інтелектуальний розвиток учнів; розвивати читацькі інтереси учнів; виховувати бережне ставлення до природи.
55297. НА ХМАРИНЦІ ПРОЛІТА ОСІНЬ ЛЮБА, ЗОЛОТА 101 KB
  Сонце вже не припікає Коли дітки це буває Восени Поетична хвилинка Осінь наша осінь – Золота година Неба ясна просінь Пісня журавлина Бабиного літа Довгі білі коси І дорослі й діти Люблять тебе Осінь...
55298. З природою живи у дружбі 119.5 KB
  Гра-брейнстормінг Які лікарські рослини ви знаєте 3. З історії використання лікарських рослин Лікарські рослини були відомі людині ще в глибокій старовині. Можливо ще задовго до появи на Землі людини тварини використовували цілющі властивості деяких рослин.
55299. Угадай-ка, природу! 77.5 KB
  Цель данной игры: развивать творческий подход учащихся к формулировке основных понятий и терминов, умения и навыки переносить знания в биологии на практику, научить анализировать увиденное и формулировать четкие ответы, воспитать любовь учащихся к природе.
55300. Ми всі господарі природи, тож збережемо її вроду 35.5 KB
  Мета: виховувати любов до природи; формувати навички правильної поведінки на природі. Здавна люди відчували свою близькість до природи. Всім відомо що людина -– це частина живої природи.