![](/user_photo/2706_HbeT2.jpg)
- •Физический практикум по курсу «физика атома»
- •Введение
- •Определение потенциала возбуждения атома (опыт франка и герца)
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Контрольные вопросы
- •Изучение спектра испускания атомарного водорода. Определение постоянной ридберга и массы электрона
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Контрольные вопросы
- •Проверка уравнения эйнштейна для фотоэффекта
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Контрольные вопросы
- •Определение удельного заряда электрона с помощью электронно-лучевой трубки
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Контрольные вопросы
- •Определение параметров потенциальной ямы и потенциала ионизации атома ксенона на основе эффекта рамзауэра
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная установка
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Определение дисперсии и разрешающей способности спектрографа
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Контрольные вопросы
- •Качественный и полуколичественный анализ сплавов с помощью стилоскопа сл-11а
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Контрольные вопросы
- •Изучение уширения спектральных линий
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Контрольные вопросы
- •Изучение электронного строения и спектров атомов щелочных металлов
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Контрольные вопросы
- •Изучение закономерностей и характеристик молекулярных спектров
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Содержание
Экспериментальная часть
По рекомендуемой литературе изучить теоретический материал по теме "Физические основы спектрального анализа", оптическую схему и устройство стилоскопа СЛ-11А, методики проведения качественного и полуколичественного спектрального анализа.
Пользуясь атласом спектральных линий железа и его описанием, произвести градуировку стилоскопа; построить дисперсионную кривую.
Получить задание и таблицы стилоскопических признаков для проведения частичного качественного анализа.
Провести качественный анализ на заданные элементы методами дисперсионной кривой и визуальной интерполяции. Результаты свести в таблицу 2, сравнить их и сделать вывод о наличии элементов в пробе.
Провести полуколичественный анализ методом гомологических пар. Внести результаты в таблицу 2.
Таблица 2
№№ пп |
Вид анализируемого участка спектра |
Длина волны излучения, нм |
Элемент, в спектре которого присут-ствует линия |
Выполня-емые сти-лоскопи-ческие признаки |
Концен-трация примеси,% |
|
Метод диспер- сион-ной кри- вой |
Метод визу-альной интер- поля-ции |
Контрольные вопросы
Излучение и поглощение энергии атомами. Связь спектров излучения и спектров поглощения.
Физические основы качественного и полуколичественного спектрального анализа. Последние линии элемента в спектре.
Методы проведения качественного спектрального анализа.
Методы проведения полуколичественного спектрального анализа.
Какова последовательность действий при составлении таблицы стилоскопических признаков?
Изучение уширения спектральных линий
Цель работы: изучение причин уширения спектральных линий атомов; экспериментальное определение ширины спектральной линии ртути.
Приборы и принадлежности: спектрограф ДФС-8, ртутные лампы ПРК-4 и ДРШ-250, фотопластинки, фотореактивы, микрофотометр МФ-4.
Теоретическое введение
В
соответствии с правилом частот Бора,
при переходе из одного стационарного
состояния в другое атом излучает квант
энергии, частота которого
определяется через энергии стационарных
состояний:
.
Однако реально оказывается, что при переходе Еm Еn излучение атома представлено набором частот =0, то есть спектральные линии не являются бесконечно узкими (0), а уширены. Остановимся на причинах уширения спектральных линий и оценим влияние каждой из них.
С точки
зрения классической электродинамики,
электрон, движущийся в атоме с ускорением,
излучает затухающие колебания. Считая
электрон осциллятором, колеблющимся
около положения равновесия и имеющим
энергию
,
можно определить относительную убыль
его энергии за время
:
,
(1)
где
- коэффициент затухания:
.
(2)
Из (1) получаем
(3)
(здесь
).
Из (3) следует, что колебания электрона
затухают. Коэффициент затухания
связан со временем затухания
:
.
(4)
Из (4) видно, что время
затухания зависит лишь от длины волны
(частоты
)
излучаемой линии. Для средней части
видимого спектра (
=
500 нм)
с.
Можно показать [14], что распределение интенсивности в спектральной линии описывается формулой (смотри рисунок 14)
.
(5)
Шириной
линии
называется ширина ее контура при
значении ординаты, равном половине
максимального, то есть при
.
При
корнями уравнения (5) являются
.
Величина
(6)
или, так как
,
(7)
называется естественной
шириной линии. Из (7) следует, что, по
классической электродинамике, в шкале
длин волн естественная ширина всех
спектральных линий одинакова:
нм.
С точки
зрения квантовой механики, естественная
ширина спектральных линий вызвана
неопределенностью в энергии стационарных
состояний атома. По соотношению
неопределенностей, энергия электрона
в
м
состоянии известна лишь с погрешностью
,
связанной со временем жизни возбужденного
состояния
:
.
(8)
Время
жизни атома в возбужденном состоянии
- величина, обратная вероятности перехода
из этого состояния:
.
Число атомов на излучающем уровне убывает со временем по экспоненциальному закону:
.
(9)
Применение принципа соответствия к формулам (3) и (9) дает
.
(10)
Если с го уровня происходят переходы на несколько нижележащих уровней (смотри риунок 15), то
;
.
(11)
Расширение энергетических уровней ведет к расширению спектральных линий, возникающих при переходах между ними. Контур линии описывается кривой
,
(12)
где
.
(13)
В соответствии с (12), естественная ширина линии равна
.
(14)
Поскольку
вероятности
для разных переходов различны, то, с
точки зрения квантовой электродинамики,
естественная ширина спектральных линий
различна. Лишь для интенсивных
электрических дипольных переходов, для
которых
~ 108 c-1 и
~ 10-5 нм, имеет место соответствие
между результатами квантовой и
классической теорий.
Кроме естественного, происходит уширение спектральных линий, связанное с движением излучающих атомов и их взаимодействием.
Вследствие эффекта Доплера частота света, испускаемого движущимся со скоростью V источником, изменяется на величину , а относительное изменение частоты определяется выражением
,
где
- частота излучения неподвижного
источника,
- угол между направлением движения
источника и направлением наблюдения.
В случае хаотического теплового движения скорости атомов подчиняются распределению Максвелла. В соответствии с этим можно показать, что ширина доплеровского контура равна [14]
(15)
или
,
(16)
где
- универсальная газовая постоянная,
- температура газа,
- его молярная масса. Оценки показывают,
что, например, для атома
(
= 20) при
= 300 К доплеровское уширение на 2 порядка
больше естественной ширины линии.
Существенно отметить, что доплеровский и естественный контуры спектральных линий значительно отличаются по своей форме. Спад интенсивности на крыльях естественного контура происходит значительно медленнее, чем доплеровского. Это различие особенно ярко проявляется при наблюдении линий поглощения [14].
Рассмотренные
до сих пор причины уширения спектральных
линий не связаны с взаимодействием
между атомами. Лоренцом и др. изучалось
уширение линий вследствие столкновений
атомов (ударное уширение) Ширина
спектральной линии для лоренцовского
контура связана со временем свободного
пробега атома
:
.
(17)
Учитывая, что
,
,
(здесь
- эффективное сечение атома,
- длина свободного пробега,
- средняя скорость движения частиц), а
также что объемная концентрация атомов
(
- давление,
- число Авогадро), можно получить для
ударного уширения:
(18)
или
.
(19)
Анализ показывает, что при одинаковых условиях ударное уширение значительно больше естественного.
Так как причины ударного, естественного и доплеровского уширений независимы, то эти три типа уширений должны сказываться одновременно.
Возможны и другие причины уширения спектральных линий, например, ван-дер-ваальсовское взаимодействие, воздействие электрического поля соседних атомов и молекул (эффект Штарка) или внешнего магнитного поля (эффект Зеемана) при условии, что величина штарковского и зеемановского расщеплений меньше предела разрешения спектрального прибора.
Заметим в заключение, что при больших концентрациях атомов контур линии испускания может искажаться за счет самопоглощения (реабсорбции) в источнике света. [14].