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

10022. Инновационные технологии в проектировании нового туристического продукта 509.4 KB
  Инновационные технологии в проектировании нового туристического продукта Введение Актуальность дипломного исследования. Прошедший ХХ век наряду со многими феноменальными событиями и явлениями в жизни мирового сообщества продемонстрировал чуть ли не взрывной ха...
10023. Моделирование кривых титрования с помощью MathCad 49.5 KB
  Моделирование кривых титрования с помощью MathCad. Рассматривается пример построения кривой титрования в Mathcad. Постановка задачи и порядок выполнения работы описывается в соответствующей обучающей программе. Студенты должны запустить Mathcad и обучающую программу Титрова...
10024. Программирование в MathCAD 167 KB
  Программирование в MathCAD Панель инструментов Программирование Язык программирования Mathcad Для вставки программного кода в документы в Mathcad имеется специальная панель инструментов Программирование. Большинство кнопок этой панели выполнено в виде текстового пре
10025. Принципы усиления сигналов и построения усилителей 991.5 KB
  Тема № 1. Принципы усиления сигналов и построения усилителей. Занятие № 1. Принципы электронного усиления сигналов. Учебные методические и воспитательные цели: Изучить принципы усиления и построения усилителей их параметры. Сконцентри...
10026. Каскады предварительного усиления 902 KB
  Тема № 2. Каскады предварительного усиления Занятие № 1. Широкополосные усилители Учебные методические и воспитательные цели: 1. Изучить принципы построения и функционирования каскадов предварительного усиления и широкополосных усилителе...
10027. Оконечные усилительные каскады 1.1 MB
  Тема № 3. Оконечные усилительные каскады Занятие № 1. Принципы построения и функционирования каскадов оконечного усиления Учебные методические и воспитательные цели: 1. Изучить принципы построения оконечных усилительных каскадов. 2. Со...
10028. Преобразователи частоты. Общие принципы преобразования частоты 950.5 KB
  Тема 4. Преобразователи частоты Занятие 1. Общие принципы преобразования частоты Учебные методические и воспитательные цели: 1. Изучить сущность принципов преобразования частоты. 2. Изучить схемы и принципы работы диодных преобразователей ...