49979

Изучение линейчатых спектров атомов

Лабораторная работа

Физика

Согласно современной квантовой теории возможные значения энергии системы атомов полностью определяются ее внутренними свойствами: числом и свойствами атомов ядер и электронов в ней и характером взаимодействия между ними. Те значения энергии. которые могут быть реализованы в данной системе принято называть ее уровнями энергии. Совокупность всех возможных значений энергии или уровней энергии носит название энергетического спектра или спектра возможных значений энергии.

Русский

2014-01-13

423.5 KB

3 чел.

УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Изучение линейчатых спектров атомов лабораторной работы 3.7a

Авторы:

Горощеня А.Ю. гр. 442801

Жарковский И.В. гр. 442801

1 курс ФРЭ

Научный руководитель:

Иванов М.А.

Минск

2005

Аннотация

Лабораторная работа предназначена для закрепления основных знаний о линейчатых спектрах атомов, приобретения практических навыков определения вещества, использованного в газосветовой лампе, по его спектру.

Цель работы

Ознакомиться с характеристиками спектрального прибора, научиться работать со спектральным прибором, привести измерения линейчатых спектров ламп, изучить методику определения вещества по его спектру.

Теоретическая часть

Энергетический спектр. Оптические методы исследования строения вещества чрезвычайно разнообразны. Чаще всего изучаются спектры поглощения или спектры испускания исследуемых объектов. Каждый такой спектр характеризуемся вполне определенным распределением интенсивности     испускания света по длинам волн. Спектр - это своеобразная фотография внутренних свойств атома, молекулы, жидкости или кристалла, но фотография символическая, так как внутренние свойства данной системы проявляются в спектре не прямо. а косвенно.

Согласно современной квантовой теории, возможные значения энергии системы атомов полностью определяются ее внутренними свойствами: числом и свойствами атомов, ядер и электронов в ней и характером взаимодействия между ними. Те значения энергии. которые могут быть реализованы в данной системе, принято называть ее уровнями энергии. Совокупность всех возможных значений энергии, или уровней энергии носит название энергетического спектра, или спектра возможных значений энергии. Самый нижний уровень, соответствующий наименьшей возможной энергии системы, называется основным, а все остальные уровни энергии - возбужденными, так как для перехода на них с основного уровня необходимо возбудить систему - сообщить ей энергию. Предположение о существовании уровней энергии для атома было впервые сделано Н.Бором в 1913 г. и затем подтверждено экспериментально. Оно было обосновано теоретически в квантовой механике, согласно которой квантование энергии является следствием волновых свойств микрочастиц.

Спектры возможных значений разделяются на две основные группы: сплошные и дискретные. Встречаются и разнообразные промежуточные случаи. Сложные молекулы обладают сплошным спектром уровней энергии, а изолированные атомы и сравнительно простые молекулы обладают, как правило, дискретным спектром уровней энергии. Однако в природе нет систем, у которых весь спектр уровней возможных значений энергии полностью дискретен. Даже у простейшей системы - атома водорода - уровни анергии дискретны только в некотором диапазоне энергий, а именно: при относительно малых энергиях, за пределами этого диапазона энергетический спектр становится сплошным, что соответствует реальному физическому процессу - отрыву электрона от ядра (ионизация атома водорода) и движению электрона относительно ядра при отсутствии связи между ними. Тот или иной характер энергетического спектра непосредственно проявляется в спектрах поглощения и испускания. Основным соотношением, определяющим значения частот электромагнитных волн, испускаемых  какой-либо системой, является соотношение Бора:

 ,

где h – постоянная Планка,  - частота фотона, излучаемого при переходе атома с i-го на j-й энергетический уровень, - энергия атома на i-м (j-м) энергетическом уровне.

рис.1

Электромагнитные волны испускаются не непрерывно, как это утверждала классическая электродинамика, а скачкообразно, с резким изменением энергии системы при переходе системы с одного уровня энергии на другой (рис.1). Причем плотность энергетических уровней в области n-го уровня пропорциональна n – номеру энергетического уровня. Если уровни энергии Е j, и Еi принадлежат к сплошной совокупности, то спектры испускания или поглощения тоже сплошные. Последнее означает, что система может поглощать или испускать электромагнитные волны всех частот, разумеется, с разной интенсивностью. Такой характер имеют, например, спектры испускания Солнца, угольной дуги, раскаленных твердых тел и т.д. Если уровни Еi и Ej относятся к дискретному спектру уровней энергии, то соответствующие спектры поглощения и испускания также дискретны, т.е. система может поглощать или испускать волны не всех, а только некоторых частот, отдельные более или менее узкие линии, в соответствии с этим спектры носят название линейчатых. Линейчатым спектром обладают, как правило, атомы ( H, C и др.) и простейшие молекулы. В случае молекул отдельные близкие линии спектра можно объединить в группы, которые называют полосами. Поэтому молекулярные спектры носят название полосатых спектров.

В данной работе вам предстоит познакомиться с линейчатыми спектрами газосветовых ламп. В таких лампах под действием движущихся электронов и ионов возбуждаются и излучают свет атомы газов, заполняющих лампу. Спектры этих атомов насчитывают большое число спектральных линий, причем некоторое из них имеют мультиплетную структуру. Измерив, спектр излучения лампы, можно по нему установить, какие именно атомы входят в состав смеси газов.

Экспериментальная установка

Порядок выполнения работы

Для получения спектра испускания газа пропускают пучок света от одной из ламп и исследуют прошедший свет с помощью спектрального прибора (монохроматора).

Экспериментальная установка собрана на базе монохроматоров МУМ. Основным элементом монохроматора является дифракционная решётка с переменным шагом нарезки и криволинейными штрихами, что обеспечивает абсолютную калибровку (т.е. пропускаемая монохроматором длина волны равна показанию механического счетчика) и даёт возможность скомпенсировать расфокусировку по мере изменения длины волны и другие аберрации.

Схема установки МУМ изображена на рис.2

                                                                    Рис.2

Перед входной щелью монохроматора 2 устанавливается одна из исследуемых ламп(1).Излучение от лампы 1 попадает на входную щель 2 и зеркалом 3 направляется на дифракционную решетку 4. Разложенное на монохроматические компоненты излучение, отразившись от зеркала 5, поступает в окуляр 7. Сканирование спектра осуществляется поворотом решётки с помощью рукоятки 8. Длина волны излучения, попадающего в центр поля зрения окуляра и на визир (указатель) 6, определяется в нанометрах непосредственно по цифровому механическому счётчику 9 с точностью до 0,1 нм (десятые доли отсчитываются по цилиндрической шкале, цена деления 0,2 нм).

Осуществляют фокусировку окуляра, добиваясь чёткой видимости указателя и линий испускания. Вращая рукоятку 8, просматривают весь спектр.

С помощью установки производят измерения длин волн спектра испускания. Полученные данные заносятся в таблицу. Потом проводится обработка результатов с помощью прилагаемых таблиц и определяется состав газа в лампах.

   Обработка результатов измерений:

Измерив длины волн линий испускания газа в какой-либо лампе, мы можем по таблицам определить состав газа в лампе.

Пример: Пусть одним из полученных значений λ= 6 67,8 (нМ), тогда из таблицы мы можем найти, что такая полоса излучения характерна для Ne I. Так же проверяются все полученные длины волн и определяются вещества, которые находятся в каждой  лампе.

Будьте внимательны: Длины волн в таблицах приведены в ангстремах, а считываются на монохроматоре в нанометрах (, ).

Таблицы спектров испускания атомов:

Длины волн от 4000 Å до 7600 Å  ( I – неионизированный атом, II – однократно ионизированный атом, III – двукратно ионизированный атом и т.д.)       

                                           Табл.1.Гелий

Вещество

 

Длина волны (Å) 

 

 Интенсивность  

 

He I

 4 026

.1844 

 50

He I

 4 026

.1859 

 50

He I

 4 026

.1860 

 50

He I

 4 120

.8237 

 12 

He I

 4 387

.9291 

 10 

 

 

  

He I

 4 471

.4704 

 200

He I

 4 471

.4741 

 200

He I

 4 471

.4743 

 200

He I

 4 471

.6832 

 25 

He II

 4 685

.7 

 30 

 

 

  

He I

 4 713

.1392 

 30 

He I

 4 921

.9310 

 20 

He I

 5 015

.6776 

 100 

He I

 5 047

.7384 

 10 

He I

 5 875

.6251 

 500 

 

 

  

He I

 5 875

.9663 

 100 

He I

 6 678

.1517 

 100 

He I

 7 065

.179 

 200 

He I

 7 065

.710 

 30 

He I

 7 281

.351 

 50 

                                                            Табл.2 Ртуть

     Вещество

Длина волны (Å)

Интенсивность

Hg I

 4 046

.56 

 1800 

Hg I

 4 077

.83 

 150 

Hg III

 4 216

.74 

 100 

Hg I

 4 339

.22 

 250 

Hg I

 4 347

.49 

 400 

 

 

  

Hg I

 4 358

.33 

 4000 

Hg II

 4 398

.62 

 100 

Hg II

 5 128

.45 

 100 

Hg I

 5 460

.74 

 1100 

Hg I

 5 675

.86 

 160 

 

 

  

Hg I

 5 769

.60 

 240 

Hg I

 5 789

.66 

 100 

Hg I

 5 790

.66 

 280 

Hg I

 5 803

.78 

 140 

Hg II

 6 149

.50 

 1000 

 

 

  

Hg I

 6 716

.43 

 160 

Hg I

 6 907

.52 

 250 

Hg I

 7 081

.90 

 250 

Hg I

 7 091

.86 

 200 

Hg II

 7 485

.87 

 100 

                                                    Табл 4. Натрий

Вещество

Длина волны (Å) 

Интенсивность

Na II

 4 113

.70 

 300 

Na II

 4 123

.08 

 250 

Na II

 4 233

.26 

 250 

Na II

 4 240

.90 

 250 

Na II

 4 292

.48 

 250 

Na II

 4 292

.86 

 250 

Na II

 4 308

.81 

 250 

Na II

 4 309

.04 

 250 

Na II

 4 320

.91 

 250 

Na II

 4 337

.29 

 250 

Na II

 4 344

.11 

 250 

Na II

 4 368

.60 

 200 

Na II

 4 375

.22 

 200 

Na II

 4 387

.49 

 200 

Na II

 4 392

.81 

 250 

Na II

 4 405

.12 

 200 

Na II

 4 446

.70 

 200 

Na II

 4 447

.41 

 200 

Na II

 4 454

.74 

 200 

Na II

 4 455

.23 

 200 

Na II

 4 457

.21 

 200 

Na II

 4 474

.63 

 200 

Na II

 4 478

.80 

 200 

Na II

 4 481

.67 

 200 

Na II

 4 490

.15 

 200 

Na II

 4 490

.87 

 200 

Na II

 4 499

.62 

 200 

Na II

 4 506

.97 

 200 

Na II

 4 519

.21 

 200 

Na II

 4 524

.98 

 200 

Na II

 4 533

.32 

 200 

Na II

 4 551

.53 

 200 

Na II

 4 590

.92 

 160 

Na I

 4 668

.557 

 200

Na I

 4 668

.559 

 200 

Na II

 4 722

.23 

 160 

Na II

 4 731

.10 

 160 

Na II

 4 741

.67 

 160 

Na II

 4 768

.79 

 160 

Na I

 4 978

.541 

 200 

Na I

 4 982

.813 

 400 

Na I

 5 682

.633 

 280 

Na I

 5 688

.205 

 560 

Na I

 5 889

.950 

 80000 

Na I

 5 895

.924 

 40000 

Na I

 6 160

.747 

 240 

                                                                Табл. 4 Неон

Вещество

Длина волны (Å) 

Интенсивность

Ne I

 4 537

.7515 

 1000 

Ne I

 4 704

.3950 

 1500 

Ne I

 4 708

.8593 

 1200 

Ne I

 4 710

.0669 

 1000 

Ne I

 4 712

.0641 

 1500 

Ne I

 4 715

.3453 

 1500 

Ne I

 4 752

.7315 

 500 

Ne I

 4 788

.9255 

 1000 

Ne I

 4 790

.2174 

 500 

Ne I

 4 827

.3381 

 1000 

Ne I

 4 837

.3126 

 500 

Ne I

 4 884

.9184 

 1000 

Ne I

 4 892

.0892 

 500 

Ne I

 4 957

.0337 

 1000 

Ne I

 5 005

.1585 

 500 

Ne I

 5 037

.7510 

 500 

Ne I

 5 144

.9374 

 500 

Ne I

 5 145

.0322 

 500 

Ne I

 5 330

.7774 

 600 

Ne I

 5 341

.0936 

 1000 

Ne I

 5 343

.2838 

 600 

Ne I

 5 400

.5618 

 2000 

Ne I

 5 562

.7667 

 500 

Ne I

 5 656

.6587 

 500 

Ne I

 5 719

.2255 

 500 

Ne I

 5 748

.2990 

 500 

Ne I

 5 764

.4191 

 700 

Ne I

 5 804

.4494 

 500 

Ne I

 5 820

.1558 

 500 

Ne I

 5 852

.4879 

 2000 

Ne I

 5 872

.8271 

 500 

Ne I

 5 881

.8952 

 1000 

Ne I

 5 944

.8342 

 500 

Ne I

 5 965

.4716 

 500 

Ne I

 5 974

.6283 

 500 

Ne I

 5 975

.5340 

 600 

Ne I

 6 029

.9969 

 1000 

Ne I

 6 074

.3377 

 1000 

Ne I

 6 143

.0626 

 1000 

Ne I

 6 163

.5939 

 1000 

Ne I

 6 217

.2812 

 1000 

Ne I

 6 266

.4950 

 1000 

Ne I

 6 334

.4278 

 1000 

Ne I

 6 382

.9917 

 1000 

Ne I

 6 402

.2460 

 2000 

Ne I

 6 598

.9529 

 1000 

Ne I

 6 678

.2762 

 500 

Ne I

 6 929

.4673 

 1000 

Ne I

 7 024

.0504 

 500 

Ne I

 7 032

.4131 

 1000 

Ne I

 7 173

.9381 

 1000 

Ne I

 7 245

.1666 

 1000 

Ne I

 7 488

.8712 

 500 

Табл. 5 Ксенон

Вещество

Длина волны (Å) 

Интенсивность

Xe II

 4 180

.10 

 1000 

Xe II

 4 330

.52 

 1000

Xe II

 4 462

.19 

 1000

Xe I

 4 734

.152 

 600 

Xe II

 5 080

.62 

 1000 

 

 

  

Xe II

 5 292

.22 

 2000 

Xe II

 5 313

.87 

 1000 

Xe II

 5 339

.33 

 2000 

Xe II

 5 419

.15 

 3000 

Xe II

 5 438

.96 

 800 

 

 

  

Xe II

 5 472

.61 

 1000 

Xe II

 5 531

.07 

 600 

Xe II

 5 667

.56 

 600 

Xe II

 5 976

.46 

 2000 

Xe II

 6 036

.20 

 1000 

 

 

  

Xe II

 6 051

.15 

 2000 

Xe II

 6 093

.50 

 600 

Xe II

 6 097

.59 

 1500 

Xe II

 6 356

.35 

 600 

Xe II

 6 595

.01 

 1000 

 

 

  

Xe II

 6 805

.74 

 1000 

Xe II

 6 942

.11 

 800w 

Xe II

 6 990

.88 

 2000 

Пример выполнения

Лампа 1(гелий-неоновая):

λ, нМ(изм.)

λ, нМ (отожд.)

Вещество

1

672

671,6

Hg I

2

668,5

667,8

He I

3

660

659,8

Ne I

4

653,5

5

651,2

6

640,6

640,2

Ne I

7

638,8

638,2

Ne I

8

634

633,4

Ne I

9

631,2

10

627,2

626,6

Ne I

11

622,2

621,7

Ne I

12

616,8

616,3

Ne I

13

614,8

614,3

Ne I

14

610,2

15

608

607,4

Ne I

16

603,5

602,9

Ne I

17

598

597,5

Ne I

18

595

594,4

Ne I

19

591

20

588,8

588,1

Ne I

21

585,7

585,2

Ne I

22

582,5

585,0

Ne I

23

580,6

580,4

Ne I

24

576,8

576,4

Ne I

25

575,4

26

540,7

27

534,8

534,3

Ne I

28

533,8

531,1

Ne I

29

435,5

435,8

Hg I

30

434

434,7

Hg I

Лампа 2(15W-E1427 дневного света):

λ,нМ(изм.)

λ, нМ (отожд.)

Вещество

1

713

2

710

709,2

Hg I

3

707,4

4

694,4

5

688,4

6

662,7

7

658,3

8

653,7

9

651,5

10

631,8

11

615

616

Na I

12

611,8

13

600

14

593,6

15

588

588,9

Nа I(дублет)

16

580,8

580,3

Hg I

17

579,6

579

Hg I

18

577,4

576,9

Hg I

19

546,5

546,0

Hg I

20

542,5

21

533,8

22

528

23

517,4

24

510

25

492,4

26

486,6

27

474,2

474,1

Na II

28

471,6

472,2

Na II

29

467,8

466,8

Nа I

30

465,2

31

453,2

453,3

Na II

32

436,4

436,8

Na II

33

408,6

407,7

Hg I

34

405,2

404,6

Hg I

Несоответствие некоторых спектральных линий образцам объясняется присутствием в лампах молекул твердых веществ, использованных в технологическом процессе изготовления лампы.

Вывод: Была изучена методика определения вещества по его спектру, были приобретены навыки работы со спектральным прибором, выявлены возможные сложности в выполнении работы.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

30671. Сюжет, композиция и проблематика рассказа М. Горького «Старуха Изергиль» 14.18 KB
  Повествование много повидавшей на своем веку Изергиль делится на три самостоятельные части: легенда о Ларре рассказ Изергиль о своей жизни легенда о Данко.Легенды о Ларре и Данко раскрывают две концепции жизни два представления о ней.Себялюбцу Ларре контрастно противопоставлен герой второй легенды Данко. Ларра ценил только себя и свою свободу Данко же решил добыть ее для всего племени.
30672. Мотив дуэли в произведениях отечественной классики XIX в 13.4 KB
  Дуэль как социальное явление целой эпохи является одной из проблем поднимаемой в классической литературе.Писатели 19 века воспринимали дуэль как единственный и во многом естественный способ отстоять свою честь свое дворянское и офицерское достоинство.В романе Евгений Онегин дуэль становится тем явлением которое противоречит внутреннему миру героя.Перед дуэлью Онегин спокойно проспал всю ночь в противоположность Ленскому.
30673. Тема борьбы добра и зла в романе М.А. Булгакова «Мастер и Маргарита» 13.32 KB
  Булгакова Мастер и Маргарита Нет зла без добра нет Сатаны без Бога и Сатана также естествен в мире как обитель добра. Это основная философская мысль в романе Мастер и Маргарита. Ведь это дьявол выполняет просьбу Левия Матвея от имени Бога устроить судьбу Мастера в новой жизни. И поэтому Мастер вынужден уйти под опеку к Воланду.
30674. Тема «русского бунта» в произведениях отечественной литературы 14.29 KB
  Тема русского бунта нашла свое отражение в нескольких произведениях русской литературы но несомненно свое начало в литературе XIX века она берет с романа А.Работая над этим произведением писатель пользовался многочисленными историческими источниками совершил поездку по местам пугачевского бунта записывал рассказы очевидцев. В Капитанской дочке перед нами предстает Пушкин художник раскрывающий тему народного бунта в высшей степени художественно.
30675. Тема героя и толпы в произведениях отечественной литературы 14.5 KB
  Конфликт в который вступают Чацкий и московское общество весь ход сюжета убедительно доказывают что Чацкий по сути дела один на один с целым мирком в миниатюре миром Фамусова. Фамусовское общество является жалким подражателем всего французского; и только Чацкий единственный русский человек во всей пьесе. Воскреснем ли когда от чужевластья мод вопрошает он иронизируя над тем что московское общество одевается по французской моде предпочитает французскую кухню французский язык знает лучше чем русский.Фамусовское общество...
30676. Тема греха и покаяния в русской литературе 13.81 KB
  Особенно остро ставил проблему греха и покаяния в своем творчестве Ф.Проблему нравственного греха и покаяния ставил не только Ф.Таким образом тема греха и покаяния проходит через творчество многих русских писателей.
30677. Философские вопросы бытия в лирике С.А. Есенина (на примере 3 -4 стихотворений по выбору экзаменуемого). Тема жизни и смерти в стихотворении «Мы теперь уходим понемногу…» 14.68 KB
  Тема жизни и смерти в стихотворении Мы теперь уходим понемногу В своей философской лирике Есенин ставит множество вопросов обращенных в первую очередь к самому себе: чем я жил что я успел для чего пришел в этот миЕсенин всегда ощущал себя частью этого мира. Часто он находил отклик своим мыслям в мире природы поэтому его философская лирика темно переплетается с пейзажной и наполнена аналогиями между законами человеческой жизни и законами природы. Жизненный путь пройден природа завершила свой кругСоотношение весны человека и...
30679. Тема подвига и самопожертвования в русской литературе 14.15 KB
  Подвиг самопожертвование могут восприниматься писателями поразному. Человек совершает подвиг не только в исключительные моменты своей жизни но и в семейнобытовом социальном философском плане. Если бы не слова князя Андрея никто бы не узнал о его подвиге.