наблюдение сериальных закономерностей в спектре

НАБЛЮДЕНИЕ СЕРИАЛЬНЫХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ В СПЕКТРЕ
АТОМАРНОГО ВОДОРОДА И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОСТОЯННОЙ РИДБЕРГА
Цель работы: изучить видимую часть спектра водорода и познакомиться с одним из методов
определения постоянной Ридберга.
Приборы и принадлежности: спектральная трубка с водородом, ртутная лампа, универсальный
монохроматор УМ-2, блоки питания.
В соответствии с представлениями Резерфорда-Бора о строении атома водорода и сериальной
формулы Бальмера длины волн линий видимой области спектра водорода можно определить из
выражения:
1
1 
 1
N   R  2  2 

n 
2
где N - волновое число ( число длин волн, укладывающихся в единице длины; R - постоянная
Ридберга; n - главное квантовое число, которое для первых четырех линий спектра водорода
видимой области - серии Бальмера, обозначаемых как Нα, Hβ, Hγ, Hδ принимают соответственно
значения 3, 4, 5, 6
Пользуясь формулой Бальмера можно определить постоянную Ридберга. Для этого
необходимо знать длину волн света, которую излучает атом водорода при переходе его
электрона с более высокого энергетического уровня на более низкий (в видимой области - на
второй). Длина волны соответствующего перехода определяется экспериментально.
ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ
Наблюдение спектральных линий и измерение их положения производится на
монохроматоре УМ-2. Внешний вид монохроматора и установки представлен на рис.1.
Монохроматор укреплен на рельсе, где также размещен источник света (водородная
газоразрядная трубка или ртутная лампа). Объектив коллиматора, формирующего пучок
параллельных лучей, падающих на призму, система диспергирующих призм, а также объектив
зрительной трубы находятся внутри корпуса прибора. Входная щель 5 коллиматора
регулируется по ширине микрометрическим винтом 8. Объектив коллиматора устанавливается
таким образом, чтобы входная щель находилась в фокусе объектива. На боковой стороне
корпуса прибора расположена шкал с нониусом 4, показывающим положение объектива
коллиматора. Шкала освещается лампой подсветки. В фокальной плоскости объектива
зрительной трубы расположена выходная щель. Для установки положения спектральной линии
в плоскости выходной щели имеется индекс в виде треугольника. Индекс наблюдается через
окуляр. Вывод спектральной линии на индекс производится поворотом диспергирующих призм
при помощи барабана 2. Индекс подсвечивается лампочкой 2. Непосредственно под
лампочкой находится диск с набором светофильтров. Поворачивая диск, можно подсветить
индекс желтым, красным, зеленым светом. Резкость изображения индекса и спектральной
линии устанавливается перемещением окуляра 1. Отсчетным устройством прибора является
барабан 3, который соединен с системой призм. При повороте барабана на одно деление (2)
система призм поворачивается на 20``. Принципиальная схема спектрального аппарата
представлена на рис. 2.
Схема состоит из трех основных частей: коллиматора 2-4, служащего для получения
параллельного пучка лучей, диспергирующей системы 5 (призмы или дифракционные
решетки), разлагающей немонохроматический свет в спектр, и зрительной трубы 6-8 для
наблюдения спектра. Свет от источника 1 проходит через конденсор 2 и освещает щель 3,
которая расположена в фокальной плоскости объектива коллиматора 4. Из объектива
параллельный пучок лучей падает на диспергирующую систему 5. Вследствие дисперсии из
призмы выйдут параллельные лучи, преломленные под разными углами. Эти лучи соберутся в
фокальной плоскости 7 объектива 6 зрительной трубы в виде спектрального изображения щели
3. Спектр наблюдается глазом через окуляр 8.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
Построение дисперсной кривой
1.
Ознакомиться с устройством установки.
2.
Зажечь ртутную лампу, перемещая ее относительно объектива, добиться
равномерного освещения входной щели монохроматора.
3.
Поворачивая барабан, просмотреть весь спектр от красных до фиолетовых линий.
4.
Последовательно совмещая с индексом линии ртути от красной до фиолетовой,
делать отсчеты по барабану монохроматора. Всего должно быть не менее 17 линий
(образец спектра ртути в видимой области с указанием цвета и соответствующих длин
волн прилагается к прибору).
5.
Отсчет по барабану для каждой линии произвести трижды. Результаты занести в
таблицу 1.
6.
По данным табл.1 построить дисперсионную кривую (образец на рис.3).
Таблица 1
Длина волн
Отсчет по барабану, дел
Цвет
линий ртути λ,
линии
φ1
φ2
φ3
Φср
∆φ
А°
Так как длины вода, соответствующие линиям в спектре ртути заданы с достаточно
малой погрешностью, то точность построения кривой будет зависеть от точности измерения
положения линий по барабану. Поэтому около каждой точки графика необходимо выделить
интервал, определяемый абсолютной погрешностью, найденной из трех измерений (см. табл.).
Наблюдение спектра атомарного водорода и определение длин волн в видимой
его части с помощью дисперсионной кривой.
1.
Поменять ртутную лампу на газоразрядную водородную трубку.
2.
Зажечь водородную трубку и найти линии водородного спектра Нα, Hβ, Hγ, Hδ.
3.
Для каждой линии снять показания барабана и занести в таблицу аналогично
табл.1. Измерения произвести трижды.
4.
Используя средние значения показания барабана для каждой линии водорода,
найти по градуировочному графику (дисперсионной кривой) их длины волн Нα, Hβ, Hγ, Hδ
и их погрешности с учетом ширины доверительного интервала на градуировочном
графике.
5.
По сериальной формуле Бальмера вычислить значение постоянной Ридберга для
всех четырех линий водорода.
6.
Найти погрешность R из формулы: ∆R = R∙E, где Е = ∆λ/λ и окончательный
результат представить в виде:
R = Rср ±∆R, Е = … %.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.
Объясните строение атома водорода по Резерфорду-Бору.
2.
Объясните природу спектральных линий с точки зрения электронных
энергетических уровней.
3.
Как читаются постулаты Бора, каков их физический смысл ?
4.
Назовите все серии спектральных линий атомарного водорода и соответствующие
им участки спектра.
5.
Каков физический смысл постоянной Ридберга?
6.
Получите выражение для полной энергии электрона в атоме водорода и объясните
физический смысл ее отрицательного значения.
Литература
1.
2.
3.
4.
И.В.Савельев. Курс общей физики. Т.З, М."Наука", §14-§17,
Б.М.Яворский, А.А.Детлаф. Курс физики. Т.З, М."Высш.шк", §13.1 - §13.5.
Г.А.Зисман, О.М.Тодес. Курс общей физики. Т.З, М."Наука", 1972, §49 - §50.
А.А.Детлаф, Б.М.Яворский. Курс физики. М. "Высш.шк. ",1989, §83.1 - §83.5.