Изучение линейчатых спектров. Градуировка спектроскопа и определение постоянной Ридберга по спектру гелия

Цель работы: ознакомьтесь с линейчатыми спектрами испускания водорода и гелия. Проградуируйте спектроскоп по спектру водорода. Определите по­стоянную Ридберга по спектру гелия.

Приборы и принадлежности: двухтрубный спектроскоп, газоразрядные трубки, заполненные водородом и гелием, высоковольтный генератор для поджига трубок, источник постоянного тока.

Введение

Дисперсия света состоит в разложении белого света на его составляющие при пропускании, белого света, через трехгранную, призму.

Явление дисперсии света объясняется зависимостью коэффициента преломления от длины световой волны.

При пропускании белого солнечного света через трехгранную призму (рис. 1) на экране получают цветную полоску, называемую спектром.

Солнечный свет дает сплошной спектр с непрерывным переходом одних цветов в другие. Это означает, что в солнечном (белом) свете присутствуют электромагнитные волны всех длин волн.

Рисунок 1

При использовании некоторых искусственных источников света спектр получается линейчатым. Он состоит из отдельных светлых полос (линий), разделенных темными промежутками.

Это указывает на то, что свет от таких источников состоит лишь из колебаний, соответствующих определенным длинам волн. Линейчатый спектр дают разреженные газы при прохождении через них электрического тока, пары металлов при нормальном давлении. Установлено, что каждому элементу соответствует определенный спектр.

Одной из важнейших закономерностей атомных спектров является сериальное строение этих спектров. Сериальные закономерности являются проявлением квантовых свойств излучающих атомных систем. Спектральные линии атомного спектра элемента могут быть объединены в определенные закономерности, построенные в так называемые серии.

В наиболее простой форме сериальные закономерности проявляются в спектре одноэлектронного атома — атома водорода. Закономерности в спектре излучения атома водорода объясняются квантовой теорией, в основе которой лежат постулаты Бора. Линии всех серий атома водорода объединены в «сериальной формуле», вид ее

(1)

где v — частота излучаемого света;

R — постоянная Ридберга, R = 3,29 • 10¹⁵ сек-¹; n, m — квантовые числа;

n — номер энергетического уровня, на который переходит электрон; m — номер энергетического уровня, с которого переходит электрон. При излучении света атомом m>n.

В зависимости от значения n в спектре излучения атома водорода различают следующие серии:

1. Серия Лаймана: n = 1. m = 2, 3, 4... Эта серия линий лежит в области ультрафиолетовых лучей. Из формулы (9.1) для серии Лаймана имеем:

2. Серия Бальмера: n = 2, m = 3, 4, 5... Эта серия имеет четырелинии, лежащие в области видимых лучей. Остальные линии лежат в области ультрафиолетовых лучей. Из формулы (1) для серии Бальмера:

(2)

3. Серия Пашена: n = 3, m = 4, 5, 6... Эта серия линий лежит вобласти инфракрасных лучей. Из формулы (1) для серии Пашена:

При n = 4, 5, 6... образуются более далекие инфракрасные серии. Схема энергетических уровней атома водорода дана на рис. 2

Рисунок 2

Наблюдаемые в спектре излучения атома водорода линиипринадлежат серииБальмера (n= 2, m = 3, 4, 5...).

Так как

В видимой части спектра атома водорода хорошо наблюдаются три линии: красная (m=3), голубая (m =4), фиолетовая (m = 5). Зная длину волны соответствующей линии, из формулы (2) можно найти значение постоянной Ридберга.

Для выполнения работы используется простейший из спектральных приборов — двухтрубный спектроскоп.

Оптическая схема спектроскопа дана на рис. 3.

Рисунок 3

В фокальной плоскости линзы L₁ коллиматорной трубы Т₁ находится щель с шириной 0,01—0,1 мм, освещаемая источником S. Из коллиматора лучи выходят параллельным пучком. Проходят призму П, каждый из лучей белого света претерпевает разложение на лучи различной цветности.

Лучи одной длины волны (одного цвета) идут в призме параллельно друг другу. Затем лучи попадают в зрительную трубу T₂. В фокальной плоскости линзы L₂ лучи одинакового цвета собираются в одном месте.

Таким образом, в фокальной плоскости линзы L₂ получается спектр источника S в виде изображения щели в лучах разного цвета. Через линзу L₃ спектр рассматривается как в лупу. В фокальной плоскости окуляра имеется вертикальная металличеоская нить (визирная линия). Она служит для фиксирования спектральных линий. Установка визирной линии в нужном участке спектра производится с помощью микрометрического винта. По отсчету микрометра можно зафиксировать положение отдельной линии спектра.

Порядок выполнения работы

Задание 1. Градуировка спектроскопа по спектру водорода.

Включить высоковольтный генератор поджига газоразрядных трубок с водородом. Спектроскоп установить так, чтобы его щель располагалась вблизи трубки. Перемещением спектроскопа и окуляра получить в поле зрения спектроскопа резкое изображение спектра водорода (он содержит четыре линии).

Совмещая визирную линию окуляра спектроскопа с линиями спектра водорода, длина волны которых известна, снять для каждой линии показания микрометра «а».

Данные измерения занести в таблицу 1. По данным таблицы 1 построить на миллиметровой бумаге график зависимости: А = f(a).

По вертикальной оси отложить значение длин волн.

Задание 2. Определение постоянной Ридберга по спектру гелия. Дляводородоподобных ионов сериальная формула имеет вид:

где z — порядковый номер элемента в таблице Менделеева. Для гелия z = 2. Линии видимой части спектра гелия возникают при переходе электрона в атоме гелия на четвертый уровень n = 4. В видимой части спектра гелия наблюдаются шесть линий: красная (m = 6), желтая (m = 7), зеленая (m = 8), голубая (m = 9), синяя (m = 10) п фиолетовая (m = 11),

Трубка, содержащая гелий, подключается к высоковольтному генератору, на который подается постоянное напряжение 6В.

Зажечь трубку с гелием и через спектроскоп наблюдать спектр гелия.

Устанавливая визирную линию спектроскопа па красную, желтую п зеле­ную линии спектра, снять показания микрометра для каждой линии.

По графику градуировки спектроскопа найти длины волн зафиксированных линий спектра гелия: А_кр А_ж, А_з

Используя формулу (3), рассчитать три значения постоянной Ридберга. Вычислить погрешность в определении постоянной Ридберга.

Результаты измерений и вычислений занести в заранее подготовленные таблицы.

Таблица 1 Градуировка спектроскопа по спектру водорода

Цвет линии	Длина волны (мкм)	Положение микрометрического винта (мм)
Красная	0,65628
Зеленая	0,48613
Синяя	0,43405
Фиолетовая	0,41017

Таблица 2 Определение длин поли видимой части спектра гелия и вычисление постоянной Ридберга

n	m	Цвет линии	Длина волны (мкм)	Положение микрометрического винта (мм)	R, с-1	ΔR, с-1
		красная
		желтая
		зеленая
		голубая
		синяя
		фиолетовая

Контрольные вопросы

1. В чем состоит явление дисперсии света?

2. Что такое сплошной и что такое линейчатый спектр? В чем их отличие?

3. Чем отличается дифракционный спектр от призматического?

4. Как объясняются закономерности линейчатых спектров?

5. Объяснить ход лучей в спектроскопе.

6. Сформулировать и пояснить постулаты Бора.

7. Рассчитать границы серий линий в спектре атома водорода.

 

СОДЕРЖАНИЕ:

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1. ИНСТРУКЦИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ ДЛЯ РАБОТАЮЩИХ В ЛАБОРАТОРИЯХ ФИЗИКИ. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОРОДЫ ДРЕВЕСИНЫ ПО ПЛОТНОСТИ. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3. ИЗУЧЕНИЕ СИЛ ТРЕНИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ ТРЕНИЯ. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОМЕНТА ИНЕРЦИИ МАХОВОГО КОЛЕСА И СИЛЫ ТРЕНИЯ В ОПОРЕ. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5.ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ВНУТРЕННЕГО ТРЕНИЯ ЖИДКОСТИ ПО МЕТОДУ СТОКСА ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6.ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОТНОШЕНИЯ МОЛЯРНЫХ ТЕПЛОЕМКОСТЕЙ ВОЗДУХА МЕТОДОМ КЛЕМАНА – ДЕЗОРМА. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕРМИЧЕСКОГО КОЭФФИЦИЕНТА ЛИНЕЙНОГО РАСШИРЕНИЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ С ПОМОЩЬЮ ИНДИКАТОРА МАЛЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 9. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ЭНТРОПИИ ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 10. ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 11. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ ПРОВОДНИКОВ С ПОМОЩЬЮ МОСТА УИТСТОНА. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 12ИЗУЧЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ МОЩНОСТИ И К. П. Д. ИСТОЧНИКА ТОКА ОТ НАПРЯЖЕНИЯ НА НАГРУЗКЕ. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 13. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЧИСЛА ФАРАДЕЯ И ЗАРЯДА ЭЛЕКТРОНА. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 14. ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ЗАРЯДА ЭЛЕКТРОНА МЕТОДОМ МАГНЕТРОНА. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 15.ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЕМКОСТИ КОНДЕНСАТОРА С ПОМОЩЬЮПЕРЕМЕННОГО ТОКА. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 16. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ИНДУКЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 17. ЭФФЕКТ ХОЛЛА ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 18.ИЗУЧЕНИЕ ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 19. ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСКОРЕНИЯ СИЛЫ ТЯЖЕСТИ С ПОМОЩЬЮ ОБОРОТНОГО МАЯТНИКА. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 20. ИЗУЧЕНИЕ РЕФРАКТОМЕТРА И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ПРОЗРАЧНЫХ ВЕЩЕСТВ. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 21. ИЗМЕРЕНИЕ РАДИУСА КРИВИЗНЫ ЛИНЗЫ И ДЛИН СВЕТОВЫХ ВОЛН ПРИ ПОМОЩИ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫХ КОЛЕЦ НЬЮТОНА. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 22. ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ ДИФРАКЦИИ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИНЫ ВОЛНЫ СВЕТА ПРИ ПОМОЩИ ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКИ. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 23. ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТА И ПРОВЕРКА ЗАКОНОВ БРЮСТЕРА И МАЛЮСА. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 24. ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ ИЗЛУЧЕНИЯ АБСОЛЮТНО ЧЕРНОГО ТЕЛА И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ К НЕЧЕРНЫМ ТЕЛАМ. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 25. ИЗУЧЕНИЕ ЛИНЕЙЧАТЫХ СПЕКТРОВ. ГРАДУИРОВКА СПЕКТРОСКОПА И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОСТОЯННОЙ РИДБЕРГА ПО СПЕКТРУ ГЕЛИЯ