Лабораторная работа №53

 

ИЗУЧЕНИЕ СПЕКТРА

ВОДОРОДА

Цель работы: Экспериментальное определение длины волны трех линий серии Бальмера и вычисление постоянной Ридберга.

Приборы и принадлежности: Спектрометр-монохроматор УМ-2, оптическая скамья, источники излучения.

 

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

 

Если свет от раскаленного тела пропустить через призму, то на экране за нею наблюдается картина, называемая спектром испускания. Раскаленные твердые и жидкие тела и газы (под высоким давлением) дают сплошной спектр, в котором спектральные цвета непрерывно переходят от одного к другому. Спектр нагретых разреженных газов и паров является линейчатым, т.е. состоит из отдельных цветных линий. Молекулы испускают полосатые спектры. Каждый химический элемент имеет типичный для него линейчатый спектр. Для анализа спектров применяют, например, спектроскоп, служащий для пространственного разделения лучей различных длин волн (наблюдение спектра производится визуально).

При переходе атома из одного начального стационарного состояния с энергией Е_n в другое конечное состояние с энергией Е_m (Е_m < E_n) происходит излучение кванта света

h n = E_n - Е_m,                                        (53.1)

где h = 6,62 × 10^-34 Дж × с - постоянная Планка, n - частота испускаемого монохроматического излучения.

Установлено, что линии в спектрах атома расположены не беспорядочно, а объединяются в группы или серии. Отчетливее всего это обнаруживается в спектре простейшего атома - водорода. В спектре водорода имеется несколько серий: серия Лаймана в крайней ультрафиолетовой области, серия Бальмера в видимой и близкой ультрафиолетовой области, серии Пашена, Брэкета и Пфунда в инфракрасной области спектра. Часть линий серии Бальмера лежит в видимой области спектра и доступна визуальному наблюдению. Первые четыре линии серии Бальмера обозначают символами Н _a, Н _b, Н _g и Н _d.

Длины волн спектральных линий водорода, принадлежащих к серии Бальмера, удовлетворяют формуле

                                    (53.2)

где R - постоянная Ридберга, n =3,4,5,...

Все сериальные формулы спектра водорода могут быть выражены единой формулой                           

                                                   (53.3)

где m и n - целые числа, причем для каждой серии n = m +1, m +2, m +3 и т.д. Для серии Лаймана m = 1, для серии Бальмера m = 2, для серии Пашена m = 3 и т.д.

На рис.53.1 схематически показаны уровни энергии стационарных состояний электрона в атоме водорода. Состояние атома с наименьшей энергией (n =1) называется основным. Атом, получивший некоторую энергию и перешедший из нормального основного состояния в возбужденное, через

Рисунок 53.1

малое время (порядка 10^-8 с) может возвратиться в исходное состояние, теряя энергию h n на излучение света частоты n, соответствующей длине волны l= с /n.

Переход атома из возбужденного состояния может происходить не только в основное состояние, но и в промежуточные энергетические состояния. Этим объясняется происхождение ряда спектральных серий: если m постоянно, а n принимает ряд последовательных целочисленных значений, то возникают линии одной и той же серии. На рис. 53.1 различные энергетические переходы схематически изображены вертикальными линиями.

 

ОПИСАНИЕ АППАРАТУРЫ

 

Оптика призменного спектрометра УМ-2 состоит из коллиматора, диспергирующей призмы с поворотным механизмом, зрительной трубы. Назначение коллиматора - дать параллельный пучок света, падающий на диспергирующую призму (рис.53.2). Коллиматор крепится в обойме 1 на плато 2. В качестве выходной щели коллиматора применена стандартная симметричная щель 3, ширина раскрытия щели от 0 до 4 мм, высота - 15 мм, цена деления на барабанчике 4 равна 0,01 мм. В трубе коллиматора между щелью и объективом помещен затвор, с помощью которого можно прекратить доступ света в прибор. Движением затвора управляют с помощью рукоятки 5.

 

 

Рисунок 53.2

Столик 6, на котором установлена призма 7, с помощью рычага получает движение от микрометрического винта 8.

На барабане длин волн 9 поворотного механизма нанесены относительные деления - градусы. Цена каждого деления - 2^о. Отсчет читается против индекса 10, скользящего по спиральной канавке. Во время работы шкала и индекс освещаются лампочкой 11.

Лучи света, пройдя диспергирующую призму, попадают в окуляр зрительной трубы 12. В фокальной плоскости окуляра зрительной трубы имеется указатель с головкой 13, освещаемой лампочкой через сменные светофильтры в револьверной оправе 14; таким образом, при работе в любой области спектра указатель может быть освещен светом в этой же области длин волн. Для регулировки освещения указателя на приборе установлен реостат 15 с выключателем 16.

Источником света служит разрядная трубка, наполненная водородом. От специального блока питания на нее подается регулируемое высокое напряжение.

Для градуировки используется излучение ртутной лампы, питаемой от пульта ЭПС-115 и постоянно закрепленной на оптической скамье. Между источником света и спектрометром находится собирающая линза - конденсор, концентрирующая свет на входной щели спектрометра.

Пульт ЭПС-115 служит для питания ртутной лампы и осветительной системы спектрометра. Тумблеры, расположенные на основании прибора, позволяют включать лампочки осветителей шкал и указателя спектральных линий. Яркость освещения указателя регулируется реостатом.

 

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

 

1. Включают в сеть пульт питания и тумблер ДРШ, нажимают пусковую кнопку ПК ртутной лампы и дают ей прогреться в течение 4-5 минут. Включают тумблеры подсветки шкалы и указателя.

2. Вращая барабан 9, наблюдают в окуляр 12 спектральные линии ртути. Для отсчета положения спектральной линии ее центр совмещают с острием указателя. Фокусируют прибор на резкость изображения. Сначала устанавливают зрительную трубу окуляра 12 так, чтобы изображение острия указателя было резким. Затем получают четкое изображение спектральных линий при помощи микрометрического винта 17.

3. Фиксируют показания шкалы барабана N, соответствующие спектральным линиям ртути l. Для правильной индентификации линий сопоставляют наблюдаемую картину со стандартным спектром ртути, прилагаемым к установке. Данные измерений N заносят в таблицу 1.

4. Измерения проводят для всех линий ртутного спектра, указанных в таблице 1.

5. По окончании измерений ртутную лампу выключают.

6. Ставят на оптическую скамью водородную трубку, включают блок питания и устанавливают такое напряжение, при котором начинается устойчивый разряд. В красной части спектра водорода находят интенсивную линию H_a, вторая линия H_b - зелено-голубая. Третья линия - фиолетовая. Этой линии предшествуют две слабые и размазанные молекулярные фиолетовые полосы. Рассмотрев спектр водорода и установив, какие именно линии этого спектра являются H _a, H _b, H _g, приступают к измерениям: отмечают деления барабана, соответствующие каждой линии.

Данные заносят в таблицу 2. Закончив измерения, немедленно выключают блок питания.                                                                     

             Таблица 1

Спектр ртути

Цвет линии	l, нм	N,дел
Красная Желтая I Желтая II Зеленая Зелено-голубая Синяя Фиолетовая I Фиолетовая II	690,8 579,0 577,0 546,1 491,6 435,8 407,8 404,7

 

Таблица 2

Спектр водорода

Цвет линии	Обозначение	N,дел.	l,нм
Красная Зелено-голубая Фиолетовая	H a H b H g

 

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

1. По данным таблицы 1 строят градуировочную кривую спектрометра l= F (N).

2. По графику (градуировки) определяют длины волн линий водорода l_a, l_b и l_g.

3. Для найденных значений l и соответствующих им n =3,4,5 вычисляют по формуле (53.2) постоянную Ридберга, находят ее среднее значение и погрешность измерений D R (как для прямых измерений).

4. Записывают окончательный результат в виде R =< R >± D R.

5. Сравнивают результаты опыта с табличным значением R.

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

1. Сколько различных спектральных линий будут излучать атомы водорода после перехода их из основного состояния (n =1) в состояние с большей энергией (m)?

2. Чему равен потенциал ионизации атома водорода, находящегося в состоянии с главным квантовым числом n?

3. Чему равна энергия фотона e, испускаемого при излучении атомом водорода самой длинноволновой линии серии Пашена?

4. Какое физическое явление лежит в основе действия спектральных приборов типа УМ-2?

5. Какой области спектра принадлежат спектральные линии бальмеровской серии H_a, H_b и H_g?

6. Чему равна энергия фотона e, испускаемого при излучении атомом водорода самой длинноволновой линии серии Брекета (m =4)?