Изучение спектров излучения и поглощения света
Дисперсия электромагнитных волн как зависимость скорости распространения волны от частоты или ее длины. Экспериментальные исследования Резерфорда по рассеянию альфа частиц на тонких пленках золота. Кинетическая энергия электрона на стационарной орбите.
Рубрика | Физика и энергетика |
Вид | лабораторная работа |
Язык | русский |
Дата добавления | 17.11.2014 |
Размер файла | 96,1 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
2
Министерство образования и науки Республики Казахстан
Карагандинский государственный технический университет
Кафедра ФИЗИКИ
Методические указания и отчёт
по лабораторной работе
«Изучение спектров излучения и поглощения света»
Караганда 2004
Изучение спектров излучения и поглощения света
Оптические спектры подразделяются на спектры испускания и спектры поглощения. Спектры испускания света получаются при разложении излученных веществом электромагнитных волн по длинам волн. Спектры поглощения наблюдаются при прохождении света через вещество с последующим разложением по длинам волн. В данной лабораторной работе такое разложение осуществляется призменным спектральным прибором (монохроматором), принцип действия которого основан на явлении дисперсии света. дисперсия кинетический энергия
Дисперсией электромагнитных волн называется зависимость скорости
распространения волны от частоты или длины волны.
Так как абсолютный показатель См. лабораторную работу № 80 преломления света определяется отношением скорости света в вакууме к скорости света в среде, то он также зависит от длины волны света. С увеличением длины волны показатель преломления уменьшается. При пропускании белого света через призму свет различных длин волн отклоняется на разные углы, образуя спектральную картину.
По внешнему виду спектры подразделяются на линейчатые, полосатые и сплошные.
Линейчатые спектры состоят из отдельных спектральных линий, соответствующих отдельным значениям длин волн. Линейчатые спектры наблюдают в раскаленных газах малой плотности.
Полосатые спектры состоят из отдельных полос, каждая из которых охватывает некоторый интервал значений длин волн. Эти спектры излучают ионизированные газы или газы под давлением, при котором надо учитывать межатомные взаимодействия.
Сплошные спектры состоят из широкого диапазона длин волн. Эти спектры наблюдают в раскаленных твердых и жидких телах, а также в газах очень высокой плотности.
Наиболее простейший спектр излучения имеет атомарный водород. Линейчатый спектр атомарного водорода представляет собой ряд серий и описывается формулой Бльмера
, (1)
где R -- постоянная Ридберга; с -- скорость света в вакууме;
n1 = 1, 2, 3, 4, …; m = n+1, n+2, n+3, ...
Эта формула была получена на основе анализа экспериментально полученных спектров излучения атома водорода в видимой части спектра. В то время вопрос о строении атома еще оставался открытым и требовал своего разрешения. После вывода Бльмером своей формулы для n = 2 выяснилось, что число n определяет номер серии. И при n = 1 формула (1) описывает ультрафиолетовую серию Лймана, а при n > 2 -- серии линий, расположенных в инфракрасной области спектра.
Природа излучения спектров атомами или молекулами тесно связана с проблемой строения атома. Первая модель атома была предложена В. Томпсоном в 1902 году и разработана Дж. Дж. Томпсоном в 1904 году. По этой модели атом представляет собой положительно заряженный шар, размером 10-12 м и в нём могут двигаться отрицательно заряженные электроны, размеры которых очень малы по сравнению с размерами атома. Число электронов в атоме таково, чтобы компенсировать положительный заряд атома. В целом атом электронейтрален.
Экспериментальные исследования Резерфорда по рассеянию ?-частиц См. лабораторную работу № 94 на тонких пленках золота привели его к планетарной модели атома. Сущность этой модели заключается в том, что атомы состоят из положительно заряженного ядра, в котором сосредоточена практически вся масса атома, и вращающихся по круговым орбитам вокруг ядра электронов. По модели Резерфорда электрон движется вокруг ядра с ускорением и, следовательно, согласно классической электродинамике он должен излучать электромагнитные волны. Этот процесс излучения должен сопровождаться потерей энергии электрона на излучение и, в конце концов, приводить к падению электрона на ядро. Планетарная модель атома оказывается электродинамически неустойчивой. Таким образом, все попытки построения модели атома с позиций классической физики Ньютона оказались безуспешными.
Теория атома водорода по Бору
Теорию атома водорода, основанную на неприменимости классической электродинамики к электронам, движущимся в атомах, выдвинул в 1913 г. выдающийся датский физик Нильс Бор. Эта теория основана на планетарной модели Резерфорда и следующих постулатах Бора:
1-й постулат Бора:
В атоме существуют стационарные круговые орбиты, по которым электрон движется без излучения.
Стационарными орбитами будут те, для которых момент количества движения L = mvr электрона может принимать значения, кратные .
То есть
(2)
Здесь rn -- радиус n-ой стационарной орбиты; vn -- скорость движения электрона по n-ой стационарной орбите; n -- целое число, называемое главным квантовым числом (n = 1, 2, 3, 4, 5, … , ); h -- постоянная Планка ().
2-й постулат Бора:
При переходе атома из состояния с энергией En в состояние с энергией Em (En > Em) излучается один фотон (квант), энергия которого равна
hnm = En - Em (3)
Изменение энергии атома возникает при переходах электрона с одного энергетического уровня на другой. Поглощение атомом фотона с энергией hnm сопровождается переходом электрона из состояния с более низкой энергией Еm в состояние с бльшей энергией Еn.
Таким образом, в этой теории принимается фотонный механизм испускания и поглощения света атомами.
На электрон, вращающийся по круговой орбите, действует кулоновская сила
(4)
где е -- заряд электрона;
о -- диэлектрическая постоянная;
rn -- радиус n-ой орбиты.
Эта сила будет являться центростремительной, следовательно,
(5)
Из выражения (4) получим
(6)
Поделив почленно (6) на (2), получим
(7)
Подставив выражение (7) в формулу (2), получим радиус n-ой стационарной орбиты
(8)
Следовательно, кинетическая энергия электрона на n-ой стационарной орбите выражается формулой
(9)
а потенциальная энергия имеет вид
(10)
В этом случае полная энергия электрона на n-ой стационарной орбите равна
(11)
Таким образом, атом водорода, переходя из стационарного состояния, характеризуемого квантовым числом n1, в состояние с квантовым числом n2 (n2 < n1), испускает по третьему постулату Бора фотон с частотой
(12)
Обозначив -- постоянная Ридберга, получим
(13)
Как видим, полученная формула совпадает с экспериментально определенной спектральной формулой Бльмера (1).
Спектры излучения наблюдаются при переходах с более высоколежащих уровней на нижележащие, а спектры поглощения -- при переходах с нижележащих уровней энергии на вышележащие.
Теория атома водорода по Бору явилась важным этапом в становлении современной квантовой механики.
Значение постоянной Ридберга R, определённое из эксперимента, равно: R=10967757,77 м-1. Величина R, рассчитанная по теории Бора, равна: R=10973731,77 м-1. Но если учесть, что ядро атома водорода не покоится, а вращается вместе с электроном вокруг общего центра масс, то совпадение почти полное.
Таким образом, исходя из очевидного факта стабильности атома и применимости закона сохранения энергии к внутриатомным процессам, теория Бора привела к впечатляющим результатам:
· постоянная Ридберга была выражена через мировые константы;
· размер электронных орбит rn оказался пропорциональным n2, а коэффициент пропорциональности также является комбинацией мировых постоянных:
Причем, величина коэффициента совпала с радиусом 1-ой электронной орбиты, получившей название боровской орбиты rB=0,52918·10-10 м.
Вид спектров излучения зависит от состояния вещества.
· Если при заданной температуре вещество находится в состоянии термодинамического равновесия с излучением, оно испускает сплошной спектр. Это наблюдается для твердых тел, жидкостей и газов при очень высоких давлениях. Распределение энергии в таком спектре по ? (или по ?) дается законом Планка См. лабораторную работу №102. Обычно термодинамическое равновесие излучения с веществом отсутствует.
· В молекулярных и ионизированных газах, наблюдаются полосатые спектры, возникающие при переходах между электронными, колебательными и вращательными уровнями энергии.
· Спектры, возникающие при квантовых переходах между электронными уровнями в разреженных газах, будут линейчатыми.
На основании теории Бора легко объяснялись линейчатые спектры:
Так как в разрежённых газах взаимодействием между атомами можно пренебречь, то энергетические уровни электронов отдельных атомов идентичны, и они излучают одинаковые спектральные линии благодаря разрешенным квантовым переходам между дискретными уровнями.
Для более сложных систем теория Бора давала сбой. Она позволяла рассчитать положение в спектре линий, соответствующих тем или иным переходам электрона между двумя произвольными энергетическими уровнями (стационарными орбитами). Но, несмотря на удачное объяснение спектральных закономерностей водородоподобных атомов, теория Бора не могла объяснить, например, спектры излучения более сложных атомов и различную интенсивность спектральных линий. Эти трудности были преодолены квантовой теорией, показавшей неприменимость классических представлений к микрообъектам.
Описание прибора
Для получения и наблюдения спектров применяются спектральные приборы -- спектроскопы, спектрографы, монохроматоры. В зависимости от диспергирующего устройства, которое производит разложение света, различают дифракционные и призменные спектральные приборы, Оптическая схема призменного прибора (монохроматор УМ-2) представлена на рис. 1.
Выходная щель 1 коллиматора находится в фокальной плоскости объектива 2. Поэтому исследуемый свет после прохождения через щель и объектив падает на призму параллельным пучком. Призма преломляет лучи различных длин волн на разные углы. Свет, прошедший через призму, собирается объективом 4, в фокальной плоскости которого образуется дисперсионный спектр.
Существенным отличием дисперсионного (призменного) спектра от дифракционного является нелинейность первого: угол отклонения призмой лучей монохроматического света не пропорционален ни длине волны, ни его частоте. Поэтому дисперсионные спектральные приборы необходимо предварительно градуировать с помощью эталонных источников света.
Рис. 1. Схема экспериментальной установки
Здесь
1 -- входная щель коллиматора;
2 -- объектив входного коллиматора;
3 -- диспергирующая призма;
4 -- объектив выходного коллиматора;
5 -- винт регулировки ширины щели;
6 -- винт фокусировки объектива;
7 -- барабан поворотного механизма;
8 -- источник излучения;
9 -- направление наблюдения (глаз);
10 -- настройка резкости окуляра
Щель 1 имеет высоту 15 мм, ширину щели можно менять с помощью винта 5 с ценой деления на барабане 0.01 мм. Ввиду того, что фокусное расстояние объектива коллиматора меняется с изменением длины волны, на наружной трубе имеется специальное окно со шкалой для фокусировки объектива винтом 6. Между щелью и объективом помещается затвор, с помощью которого можно прекращать доступ света в прибор. Диспергирующая призма установлена на столике с поворотным механизмом. На измерительном барабане поворотного механизма 7 нанесены относительные деления -- градусы поворота барабана. Отсчет читается против метки движка, скользящего по спиральной канавке барабана.
Измерения
Целью практической части работы является градуировка монохроматора и изучение линейчатого спектра неона с помощью универсального монохроматора УМ-2.
Задание 1. Градуировка монохроматора
В качестве эталонного источника света используется ртутно-кварцевая лампа низкого давления, в которой используется дуговой разряд в парах ртути.
Ртутная лампа является стабильным и интенсивным источником света с линейчатым спектром, имеющим достаточно редкие спектральные линии различной интенсивности.
Вращая барабан измерительного устройства, привести последовательно каждую указанную в таблице 1 линию ртути в центральное положение, совместив ее с указателем в окуляре.
Записав отсчёт по барабану, сбить установку и повторить измерения для данной линии три раза. Усреднённый результат отсчёта занести в табл. 1.
Таблица 1
№ |
Положение и окраска линии |
нм |
Отсчет по барабану |
|
1 |
Красная одинокая |
690.7 |
||
2 |
Ярко-красная |
623.4 |
||
3 |
Красно-оранжевая, левая из двух одинаковых линий |
612.3 |
||
4 |
Жёлтая, левая из двух близких ярких линий |
579.0 |
||
5 |
Жёлто-зеленая одинокая |
567.6 |
||
6 |
Светло-зеленая яркая |
546.0 |
||
7 |
Сине-зеленая первая влево от ярко голубой |
497.4 |
||
8 |
Голубая яркая |
491.6 |
||
9 |
Синяя яркая |
435.8 |
||
10 |
Синяя, правая из двух близких одинаковых линий |
433.9 |
||
11 |
Фиолетовая яркая левая |
407.8 |
||
12 |
Фиолетовая яркая правая |
404.7 |
По данным таблицы построить (на рис.1) градуировочный график зависимости показаний прибора (отсчёта по барабану N) от длины световой волны, то есть график = F (N).
Задание 2. Определение длин волн спектра неона
Произвести измерения для линий спектра газа неона, как указано в задании 1. Для этого использовать в качестве источника света лампу. Сужая до предела надежной видимости входную щель коллиматора, наблюдают расположение изображений спектральных линий неона. При недостаточной их видимости с узкой щелью регулируют положение неоновой лампы перед коллиматором до тех пор, пока не будет получена максимальная освещенность изображений линий в поле зрения окуляра трубы.
Результаты отсчета по барабану занести в табл. 2.
Таблица 2
№ |
Положение и окраска линии |
нм |
Отсчёт по барабану |
|
1 |
Ярко-красная, левая из двух близких линий |
|||
2 |
Красно-оранжевая, правая из двух близких линий |
|||
3 |
Жёлтая, яркая |
|||
4 |
Светло-зеленая, яркая |
|||
5 |
Светло-зеленая, правая из двух близких ярких |
|||
6 |
Синяя, яркая |
Пользуясь полученными по барабану отсчётами, по построенному градуировочному графику определить длины волн спектра неона и занести их в табл. 2.
Рис. 2. Градуировочный график
Контрольные вопросы
Назовите типы спектров.
Какая разница между сплошным и линейчатым спектром?
В чем заключается явление дисперсии света?
Напишите формулу Бльмера.
Сформулируйте постулаты Бора.
Каким образом атомы излучают свет?
Что позволила определить теория Бора?
Какие вещества (и почему) излучают линейчатые спектры?
Как и для чего производится градуировка монохроматора?
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Определение длины волны де Бройля молекул водорода, соответствующей их наиболее вероятной скорости. Кинетическая энергия электрона, оценка с помощью соотношения неопределенностей относительной неопределенности его скорости. Волновые функции частиц.
контрольная работа [590,6 K], добавлен 15.08.2013Длины световых волн. Закон прямолинейного распространения света. Относительные показатели преломления. Явление полного внутреннего отражения для построения световодов. Вектор плотности потока энергии. Фазовая и групповая скорости монохроматической волны.
реферат [893,5 K], добавлен 20.03.2014Преобразование исходной системы уравнений к расчётной форме. Зависимость длины волны от скорости распространения. Механизмы возникновения волн на свободной поверхности жидкости. Зависимость между групповой скоростью волн и скоростью их распространения.
курсовая работа [451,6 K], добавлен 23.01.2009Энергия электромагнитных волн. Вектор Пойнтинга, свойства. Импульс, давление электромагнитного поля. Излучение света возбужденным атомом. Задача на определение тангенциальной силы, действующей на единицу поверхности зеркала со стороны падающего излучения.
контрольная работа [116,0 K], добавлен 20.03.2016Подготовка монохроматора к работе. Градуировка монохроматора. Наблюдение сплошного спектра излучения и спектров поглощения. Измерение длины волны излучения лазера. Исследование неизвестного спектра.
лабораторная работа [191,0 K], добавлен 13.03.2007Энергия отдачи ядер. Излучениеми релятивистские эффекты. Скорость движения электрона вдали от ядра. Кинетическая энергия образовавшегося иона. Длина волны гамма квантов, волны света. Скорость пиона до распада. Уровни энергии электрона в атоме водорода.
реферат [165,2 K], добавлен 22.11.2011Зависимость показателя преломления от частоты падающего света. Разложение сложного излучения в спектр. Уравнение движения электронов атомов вещества под действием поля световой волны. Скорости ее распространения. Суммарный дипольный момент атомов.
презентация [229,6 K], добавлен 17.01.2014Изучение явлений интерференции и дифракции. Экспериментальные факты, свидетельствующие о поперечности световых волн. Вывод о существовании электромагнитных волн, электромагнитная теория света. Пространственная структура эллиптически-поляризованной волны.
презентация [485,0 K], добавлен 11.12.2009Экспериментальные исследования распространения радиоволн в лесных средах. Частотная зависимость ослабления радиоволн лесом, зависимость их поглощения от расстояния. Теория боковых волн, их исследование в лесных покровах. Методика проведения измерений.
дипломная работа [3,1 M], добавлен 02.01.2012Понятие дисперсии света. Нормальная и аномальная дисперсии. Классическая теория дисперсии. Зависимость фазовой скорости световых волн от их частоты. Разложение белого света дифракционной решеткой. Различия в дифракционном и призматическом спектрах.
презентация [4,4 M], добавлен 02.03.2016Система уравнений Максвелла в дифференциальной и интегральной формах. Исследования Р. Герца. Скорость распространения электромагнитных волн. Открытие фотоэлектрического эффекта. Расчет давления света. Энергия, импульс и масса ЭМП. Вектор Умова-Пойнтинга.
презентация [2,7 M], добавлен 14.03.2016Распространение волн в упругой среде. Уравнение плоской и сферической волны. Принцип суперпозиции, разложение Фурье и эффект Доплера. Наложение встречных плоских волн с одинаковой амплитудой. Зависимость длины волны от относительной скорости движения.
презентация [2,5 M], добавлен 14.03.2016Кинетическая энергия электрона. Дейбролевская и комптоновская длина волны. Масса покоя электрона. Расстояние электрона от ядра в невозбужденном атоме водорода. Видимая область линий спектра атома водорода. Дефект массы и удельная энергия связи дейтерия.
контрольная работа [114,0 K], добавлен 12.06.2013Взаимодействие электромагнитных волн с веществом. Отражение и преломление света диэлектриками. Принцип Гюйгенса - Френеля. Рефракция света. Графическое сложение амплитуд вторичных волн. Дифракция плоской световой волны и сферической световой волны.
реферат [168,2 K], добавлен 25.11.2008Изучение уравнения электромагнитного поля в среде с дисперсией. Частотная дисперсия диэлектрической проницаемости. Соотношение Крамерса–Кронига. Особенности распространения волны в диэлектрике. Свойства энергии магнитного поля в диспергирующей среде.
реферат [111,5 K], добавлен 20.08.2015Понятие волны и ее отличие от колебания. Значение открытия электромагнитных волн Дж. Максвеллом, подтверждающие опыты Г. Герца и эксперименты П. Лебедева. Процесс и скорость распространения электромагнитного поля. Свойства и шкала электромагнитных волн.
реферат [578,5 K], добавлен 10.07.2011Изучение явления интерференции света с помощью интерференционной картины, ее получение по заданным параметрам (на экране не менее восьми светлых полос). Сравнение длины световой волны с длиной волны падающего света. Работа программы "Интерференция волн".
лабораторная работа [86,5 K], добавлен 22.03.2015Анализ теорий распространения электромагнитных волн. Характеристика дисперсии, интерференции и поляризации света. Методика постановки исследования дифракции Фраунгофера на двух щелях. Влияние дифракции на разрешающую способность оптических инструментов.
курсовая работа [2,0 M], добавлен 19.01.2015Понятие и назначение лазера, принцип его работы и структурные компоненты. Типы лазеров и их характеристика. Методика и основные этапы измерения длины волны излучения лазера, и порядок сравнения спектров его индуцированного и спонтанного излучений.
лабораторная работа [117,4 K], добавлен 26.10.2009Рассмотрение шкалы электромагнитных волн. Закон прямолинейного распространения света, независимости световых пучков, отражения и преломления света. Понятие и свойства линзы, определение оптической силы. Особенности построения изображения в линзах.
презентация [1,2 M], добавлен 28.07.2015