Определение постоянной Ридберга с помощью спектра испускания водорода

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лабораторная работа

Определение постоянной Ридберга с помощью спектра испускания водорода

Цель работы: определить частоты спектральных линий в видимой части спектра испускания водорода и вычислить значение постоянной Ридберга.

Оборудование: водородная лампа, неоновая лампа, линза, монохроматор УМ-2 или МУМ.

Краткие теоретические сведения

Испускание света атомами происходит порциями - квантами при переходе электрона в атоме из одного стационарного состояния в другое, энергетически более низкое. Энергия кванта равна h, где h - постоянная Планка, - частота испускаемого излучения.

Согласно квантовой механике, частота зависит от энергии стационарных состояний электрона в атоме следующим образом:

, (1)

где E_n и E_k - энергии исходного и конечного стационарных состояний атома соответственно; k - номер энергетического уровня атома, на который совершается переход электрона после излучения, n - номер уровня, с которого переходит электрон при излучении атомом электромагнитной энергии. R - постоянная Ридберга; c = 3•10⁸ м/с - скорость света в вакууме.

Линии спектра водорода группируются в серии (см. рис. 1).

Серия линий Лаймана возникает при переходе электронов из энергетически более высоких стационарных состояний в первое. Для этих линий k = 1, n = 2, 3,… , а частоты находятся в ультрафиолетовой невидимой области спектра.

Линии в видимой части спектра - серия Бальмера - характеризуются переходами электронов из состояний с номерами n = 3, 4, 5,… в состояния с номером k = 2. Переходу электрона из состояния n = 3 в состояние с k = 2 соответствует красная линия в спектре, переходу из состояния n = 4 в состояние с k = 2 - зелено-голубая линия и переходу из состояния n = 5 в состояние с k = 2 - фиолетовая линия в спектре водорода.

Переходы электронов на уровень с номером k = 3 с более высоких энергетических уровней образуют серию линий Пашена, частоты которых находятся в невидимой инфракрасной области спектра и т. д. Каждой спектральной линии соответствует определенная частота и длина волны , связанные соотношением

с = v. (2)

Рис. 1

В данной работе необходимо экспериментально определить частоты трех наблюдаемых линий серии Бальмера. Пользуясь полученными результатами, вычислить из формулы (1) постоянную Ридберга.

Описание установки

Частоты спектра водорода измеряются с помощью монохроматора УМ-2, оптическая схема которого представлена на рис. 2. Свет от водородной лампы 1 фокусируется линзой 2 на входную щель 3 монохроматора. Щель находится в фокусе линзы 4 и входит в подвижную часть монохроматора, в так называемый коллиматор. Вращая маховичок 5, можно перемещать коллиматор вдоль оптической оси. Пройдя линзу 4, свет параллельным пучком падает на призму 6 и разлагается в спектр. Линза 7 фокусирует спектр в области наблюдения. Наблюдают спектр через окуляр 8. Окуляр имеет накатное кольцо, вращением которого можно добиться наиболее резкой картины наблюдения спектра. В нижней части щели 3 находится микрометрический винт, позволяющий изменять ширину щели.

Картину спектра наблюдают, вводя на середину поля зрения нужную его область. Для этого вращают барабан 9, расположенный справа от зрительной трубы монохроматора. Барабан снабжен шкалой, позволяющей определить повороты в градусах. Цена деления шкалы составляет 2. Отсчет положения спектральной линии производится в момент совмещения линии со стрелкой - указателем в центре поля зрения. Стрелка-указатель и картина спектра должны наблюдаться одинаково резко. Для этого устанавливают окуляр на резкое наблюдение стрелки-указателя, а затем, вращая маховичок 5, добиваются резкой картины наблюдения спектра. Входная щель имеет заслонку 10, прерывающую световой поток. В рабочем положении заслонка должна быть открыта.

Рис. 2

Шкала барабана градуируется в частотах. Для этого используется хорошо изученный спектр излучения неона, описание которого приведено в табл. 1.

Таблица 1. Описание спектра испускания неона

Примечание. Для облегчения наблюдения красной линии 1, красно-оранжевой линии 2 и желтой линии 3 вся красно-желтая часть спектра неона представлена на отдельном рисунке на лабораторном стенде.

Порядок выполнения работы

Установить на оптическом рельсе неоновую лампу и направить ее излучение на входную щель монохроматора. Установить минимальную ширину щели. Наблюдая через окуляр спектр неона, совместить со стрелкой-указателем каждую из линий, описанных в табл. 1. Значение угла поворота по шкале барабана и длину волны из табл. 1 для каждой линии занести в табл. 2. Переходя от ярких красных, оранжевых и желтых линий к слабым линиям в зеленой и синей областях спектра, следует постепенно увеличивать ширину щели.

Таблица 2

Пользуясь данными табл. 2, построить градуированый график зависимости угла поворота от частоты. При построении графика придерживаться следующих масштабов. На оси «частота» 1 см должен соответствовать 10•10¹² Гц, на оси «угол поворота» 1 см должен соответствовать 100 поворота барабана.

Установить на оптическом рельсе водородную лампу и направить ее излучение на щель. Установить минимальную ширину щели. Вращая барабан, просмотреть всю видимую часть спектра. Определить по барабану положение следующих наиболее ярких линий: красной, зелено-голубой и фиолетовой, принадлежащих серии Больмера. Помимо этих линий в спектре могут наблюдаться посторонние линии, принадлежащие спектру излучения буферного газа, которым, наряду с водородом, заполнена газоразрядная трубка. Посторонние линии тоньше и слабее водородных. По этому признаку такие линии следует отличать от водородных и игнорировать.

Занести в табл. 3 показания шкалы барабана, соответствующие каждой из наблюдаемых линий спектра водорода.

Пользуясь построенным градуировочным графиком, определить частоты линий спектра водорода.

По рис. 1 установить номера уровней n и k исходного и конечного состояний электрона для каждой линии спектра водорода. Результаты занести в табл. 3.

По формуле (1) вычислить постоянную Ридберга для каждой линии серии Больмера. Найти среднее значение постоянной Ридберга и сравнить его с табличным значением R = 1,097•10⁷ м^-1.

Таблица 3

Контрольные вопросы

Почему для градуировки берется спектр неона? Можно ли использовать спектр излучения другого элемента?

Перечислить серии спектра водорода. Какому переходу соответствует головная линия в каждой серии?

Чем определяется граница серии? Почему к границе серии интенсивность уменьшается?

Каким переходам соответствуют линии видимой части спектра водорода? Какая это спектральная серия?

Библиографический список к лабораторной работе

спектральный водород инфракрасный атом

1. Детлаф, А.А. Курс физики: учеб. в 3-х т. Т. 3 / А.А. Детлаф, Б.М. Яворский, Л.Б. Милковская. - М., 1979.

2. Зисман, Г.А. Курс общей физики: учеб. в 3-х т. Т. 3 / Г.А. Зисман, О.М. Тодес. - М., 1974. - С. 267.

3. Савельев, И.В. Курс общей физики: учеб. в 3-х т. Т. 3 / И.В. Савельев. - М., 1979. - С. 305.

Размещено на Allbest.ru