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

35053. СЖИГАНИЕ ИСКОПАЕМОГО ОРГАНИЧЕСКОГО ТОПЛИВА 140 KB
  В группу неканцерогенных загрязняющих веществ входят неспецифические наиболее распространенные и повсеместно контролируемые вещества – это взвешенные вещества диоксиды азота и серы оксид углерода и озон. Диоксид азота. Основные источники выделения диоксида азота NО2 металлургические производства выхлопные газы автотранспорта тепловые электростанции и различные отопительные установки. Любое сжигание топлива с высокой температурой сгорания приводит к окислению атмосферного азота.
35054. Геохимия 96.5 KB
  Ферсмана: Геохимия изучает историю химических элементоватомов в земной коре и их поведение при различных термодинамических и физикохимических условиях природы. Геохимия – наука изучающая распространение атомов химических элементов в космосе и на Земле историю их существования происхождение а также поведение в различных природных условиях. Понять историю атомов в земной коре и вообще на Земле и в космосе можно лишь изучив свойства этих атомов так как различные природные процессы связанные с распределением и миграцией химических...
35055. Геохимия ОС 456 KB
  Таблица 1 Классификация химических элементов по декадам В. Таблица 2 Геохимические группы ХЭ по их участию в геохимических циклах по Вернадскому 1934 В этой таблице п число химических элементов. Массы т групп геохимических химических элементов в земной коре Первая группа группа благородных газов включает элементы которые вопервых не принимают участия в главнейших химических земных процессах и вовторых в исключительных случаях дают соединения с другими атомами. В них мы наблюдаем остатки космической истории нашей...
35056. Объектно-ориентированное программирование. Технология ООП 82 KB
  Инкапсулированные в объект данные (переменные и константы) Непосредственно изменяются редко, служат, обычно для инициализации объекта. Необходимо избегать прямого обращения к полям, создавая и используя вместо этого соответствующие свойства.
35057. Психология ответы к экзамену 405.5 KB
  В дальнейшем стало очевидно что в промежутке между действием стимула и поведенческими реакциями происходит какаято активная переработка поступающей информации что это процессы без учета которых не удается объяснить реакцию животного или человека на наличные стимулы. Фрейда действия человека управляются глубинными побуждениями ускользающими от ясного сознания. Фрейд создал метод психоанализа с помощью которого можно исследовать глубинные побуждения человека и управлять ими. Корни поведения человека – в его детстве.
35058. Общий психологический практикум 233 KB
  Предисловие 5 Требование ГОС 7 Учебная программа 8 Расчет часов учебного времени 16 Методические рекомендации по изучению дисциплины 17 Планы групповых занятий 19 Методические рекомендации по организации самостоятельной работы 25 Методические рекомендации по выполнению контрольных заданий 27 Темы и направления контрольных заданий 31 Методические рекомендации по подготовке к зачету 33 Вопросы для подготовки к зачету 34 Методические рекомендации по проведению экспериментальнопсихологического исследования 39 Рекомендуемая...
35059. Права и их защита 142.42 KB
  Понятие прав и свобод человека и гражданина и их классификация. права и свободы подразделяют на индивидуальные и коллективные относятся право на объединение ст. 31 право на забастовку Права и свободы можно разделить на основные и дополнительные посредством которых реализуются основные в управлении делами государства ч. 32 Конституции РФ реализуется в том числе и через право граждан избирать и быть избранными в органы государственной власти и органы местного самоуправления участвовать в отправлении правосудия поступать на...
35060. Организация сельскохозяйственного производства в ООО «Редькинское» Дзержинского района Калужской области 127 KB
  Обоснование фактической и перспективной специализации хозяйства Планирование качественных показателей хозяйства на перспективу Планирование урожайности сельскохозяйственных культур Планирование продуктивности сельскохозяйственных животных Установление типа кормления животных Расчет площади условной пашни Расчет посевной площади необходимой для обеспечения внутрихозяйственных нужд и выполнения договоров по растениеводческой продукции Расчет кормовых площадей для производства единицы животноводческой продукции Планирование...
35061. Осложнения при кастрации 22.54 KB
  С лечебной целью кастрируют животных при интравагинальных грыжах орхитах периорхитах при ранениях семенников и заболеваниях семенного канатика. Наиболее часто наблюдаются: кровотечение выпадение общей влагалищной оболочки культи семенного канатика сальника и кишечной петли. К ним относят: воспалительные отеки воспаление общей влагалищной оболочки воспаление и некроз культи семенного канатика и др. Источником кровотечения могут быть артерии и вены мошонки семенного канатика и семяпровода.