Описание рефрактометра РДУ и порядка выполнения измерений.

На основании (1) (рис.3) установлена стойка (2), к которой крепится корпус (3). На корпусе укреплена зрительная труба (4) и микроскоп (5). Микроскоп позволяет рассмотреть шкалу показателей преломления изучаемого вещества. Перед зрительной трубой внутри корпуса установлен дисперсионный компенсатор 6, который поворачивается вращением ручки (7). На одной оси с корпусом находится камера измерительной призмы (8), связанная шарниром с камерой осветительной призмы (9). Для удобства нанесения раствора на измерительную призму, корпус совместно с камерами можно повернуть вращением ручки (10). Для направления светового потока на входную грань осветительной призмы служит зеркало (11).

 

             

                              Рис. 3. Внешний вид рефрактометра РДУ

Измерение показателей преломления растворов глицерина и определение неизвестной концентрации.

1. Повернуть ручкой (10) от себя до упора корпус совместно с камерами. При этом полированная грань измерительной призмы устанавливается горизонтально. Проверив чистоту ее поверхности, нанести на нее при помощи стеклянной палочки или пипетки несколько капель исследуемой жидкости. Затем опустить на шарнире камеру осветительной призмы до соприкосновения с камерой измерительной призмы и прижать их друг к другу рукояткой замка. После этого корпус совместно с камерами вращением ручки 10 в противоположном направлении до упора установить в удобное для наблюдения положение.

2. Установить зеркало в положении полного заполнения световым потоком окна осветительной призмы.

3. При помощи ручки (10) медленно вращать камеру с измерительной призмой до тех пор, пока в поле зрения зрительной трубы не попадает граница света и тени.

4. Для полного устранения радужной окраски границы светотени необходимо вращать дисперсионный компенсатор ручкой (7).

5. Совместить перекрестие сетки зрительной трубы с границей светотени (ручка (10)). Рассматривая шкалу показателей преломления в микроскоп, снять отсчет по этой шкале.

6. Произвести подобные измерения для эталонных растворов и раствора с неизвестной концентрацией. После каждого измерения тщательно удалять жидкость с поверхности призмы фильтровальной бумагой.

7. Построить градуировочный график (зависимость n от концентрации) и по нему определить неизвестную концентрацию.

 

Примечание

Для определения истинного коэффициента преломления раствора глицерина неизвестной концентрации необходимо предварительно проверить правильность градуировки шкалы, использовав для этого дистиллированную

воду с n _в = 1,333.

Повторить с дистиллированной водой пункты 1–6 упражнения и, в случае отклонения показателя шкалы от 1,333, внести соответствующие поправки.

 

Контрольные вопросы

1. Отражение и преломление света на границе двух диэлектриков.

2. Законы отражения и преломления света. Полное внутреннее отражение света.

3. Связь показателя преломления с концентрацией.  

4. Принципиальная оптическая схема рефрактометра; назначение отдельных элементов.

5. Ход лучей в призмах рефрактометра в проходящем и в отраженном свете.

6. Какова роль зрительной трубы в формировании изображения границы света и тени?

7. Сформулируйте цель работы, опишите экспериментальную часть и обсудите результаты.

 

 

Лабораторная работа №24

 

                                   ОПЫТ ФРАНКА И ГЕРЦА

Цель работы: Изучение характеристик газонаполненного трёхэлектродной лампы и реализация классического эксперимента – опыта Франка и Герца.

Оборудования: Лабораторный комплекс ЛКК-2М, осциллограф С1-112А, карандаш, миллиметровая бумага.

Краткая теория

Существование дискретных энергетических уровней атома подтверждается опытами, осуществленными Франком и Герцем. Схема их установки приведена на рис.1.

 

 

Р ис.1

В трубке, заполненной парами ртути под небольшим давлением (~1 мм рт. ст.), имелись три электрода: катод К, сетка С и анод А. Электроны, вылетавшие из катода вследствие термоэлектронной эмиссии, ускорялись разностью потенциалов, приложенной между катодом и сеткой. Эту разность потенциалов можно было плавно менять с помощью потенциометра П. Между сеткой и анодом создавалось слабое электрическое поле (разность потенциалов порядка 0,5В), тормозившее движение электронов к аноду.

На рис.2 показано изменение потенциальной энергии электрона между электродами при различных значениях напряжения между катодом и сеткой ( - потенциал в соответствующей точке поля). Частица попадает в потенциальную яму.

                                                   

Рис.2.	Рис.3

  Определялась зависимость силы тока I в цепи анода, измерявшейся микроамперметром, от напряжения U. Полученные результаты представлены на рис. 3.

Сила тока вначале монотонно возрастает, достигает максимума при , после чего с дальнейшим увеличением напряжения резко падает, достигает минимума и снова начинает расти. Максимумы силы тока повторяются при напряжениях равных 9,8 В, 14,7 В и т.д.). Такой ход кривой объясняется тем, что вследствие дискретности энергетических уровней атомы могут воспринимать энергию только определенными порциями         

 

либо

                                      

 

  и т.д., где Е₁, Е₂, Е₃,... – энергии 1-го, 2-го, 3-го,... стационарного состояния. До тех пор, пока энергия электрона меньше ∆Е₁, соударения между электроном и атомом ртути носят упругий характер, причем, поскольку масса электрона во много раз меньше массы атома ртути, энергия электрона при столкновениях практически не изменяется. Часть электронов попадает на сетку, остальные же, проскочив через сетку, достигают анода, создавая ток в цепи гальванометра. Чем больше скорость, с которой электроны достигают сетки (чем больше напряжение), тем больше будет доля электронов, проскочивших через сетку, и тем, следовательно, больше будет сила тока.

Когда энергия, накапливаемая электроном в промежутке катод - сетка, достигает или превосходит ∆Е₁, соударения перестают быть упругими - электроны при ударах об атомы передают им энергию ∆Е1 и продолжают затем двигаться с меньшей скоростью. Поэтому число электронов, достигающих анода, уменьшается. Например, при U=5,3В электрон сообщает атому энергию, соответствующую 4,9В (первый потенциал возбуждения атома ртути), и продолжает двигаться с энергией 0,4 эВ. Если даже такой электрон окажется между сеткой и анодом, он не сможет преодолеть задерживающее напряжение 0,5 В и будет возвращен обратно на сетку.

Атомы, получившие при соударении с электронами энергию ∆Е1, переходят в возбужденное состояние, из которого они спустя весьма короткое время (~10-8с) возвращаются в основное состояние, излучая световой квант (фотон) с частотой .

При напряжении, превышающем 9,8В, электрон на пути катод - анод может дважды претерпеть неупругое соударение с атомами ртути, теряя при этом энергию 9,8В, вследствие чего сила тока снова начнет уменьшаться. При еще большем напряжении возможны трехкратные неупругие соударения электронов с атомами, что приводит к возникновению максимум а при U=14,7В, и т.д.

При достаточном разрежении паров ртути и соответствующей величине ускоряющего напряжения электроны за время до столкновения с атомами могут приобретать скорость, достаточную для перевода атома в состояние с энергией Е3. В этом случае на кривой I=I(U) наблюдаются максимумы при напряжениях, кратных второму потенциалу возбуждения атома (для ртути этот потенциал равен 6,7В), или при напряжениях, равных сумме первого и второго потенциалов возбуждения и т. д.

Таким образом, в опытах Франка и Герца непосредственно обнаруживается существование у атомов дискретных энергетических уровней.