7. Порядок выполнения работы.

1. Включите измерительное устройство выключателем СЕТЬ на его задней панели. При этом должны загореться индикаторы ОБРАТНАЯ, В и мкА. На индикаторе должны установиться нули (допускается индикация до значения 2 младшего разряда).

2. Включите объект исследования выключателем СЕТЬ на его передней панели.

3. Дать лампе осветителя прогреться в течение 10 мин. После прогрева ручками УСТАНОВКА НУЛЯ на объекте исследования установить нулевое значение на индикаторе мкА измерительного устройства( при этом поворотное кольцо с светофильтрами находится в положении «5», соответствующее перекрытию светового потока, идущего от лампы к фотоэлементу).

4. С помощью кнопки ПРЯМАЯ – ОБРАТНАЯ выбрать необходимый режим измерения.

5. Установить светофильтр №4.

6. Установите минимальную освещенность фотоэлемента. Для этого поверните кольцо устройства освещения от себя до упора. Изменяя значения напряжения с помощью кнопок «+» и «--« и , считывая показания фототока с индикатора «мкА» ,снимите зависимость силы тока через фотоэлемент от приложенного напряжения при неизменной освещенности. Напряжение обратной полярности считайте отрицательным.

7. Устанавливая диск со светофильтрами в положение «5» и проверяя установку нуля тока при нулевом значении напряжения, повторите действия пункта 6 для светофильтра №4 при максимальной освещенности (поворотное кольцо поверните на себя до упора).

8. Примечание. При определении запирающего напряжения фотоэлемента необходимо нулевое значение тока считывать при уменьшении напряжения от нулевого значения до значения запирающего напряжения, а не наоборот. Запрещается устанавливать значение напряжения ниже запирающего. Запирающему напряжению соответствует ток равный нулю.

9. С помощью поворота кольца, расположенного на выходном окне объекта исследования, уменьшите освещенность фотоэлемента до минимума и для светофильтров 1-3 изучите зависимость тока фотоэлемента от напряжения.

10. По окончании работы необходимо отключить питание установки выключателем СЕТЬ ( на задней панели измерительного устройства и передней панели объекта исследования) и отключить сетевые вилки измерительного устройства и объекта исследования от питающей сети.

11. Для светофильтра, который использовался при снятии ВАХ с различной освещенностью фотоэлемента, построить вольтамперные характеристики.

12. На отдельном листе миллиметровки построить семейство обратных ветвей вольтамперных характеристик фотоэлемента для различных светофильтров. Для каждой ВАХ найти напряжение, соответствующее полной задержке электронов.

13. Построить график зависимости еU₀ от частоты излучения. По графику определите величину постоянной Планка. Оцените погрешность измерений. Характерная длина волны света, пропускаемая светофильтром, приведена в таблице 1.

Таблица 1

Характеристики светофильтров

Номер светофильтра	Цвет	Длина волны
		нм
1	Фиолетовый	407
2	Синий	435
3	Зеленый	546
4	Желтый	578

Данные измерений для каждого светофильтра заносить в таблицу 2.

Таблица 2

Вольтамперные характеристики

№	Минимальная освещенность				Максимальная освещенность
	U+В	I+мкА	U- В	I- мкА	U+В	I+мкА	U- В	I- мкА
1
2
3
…
…
12

8. Контрольные вопросы.

1. Фотоэффект и его виды.

2. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.

3. Вольтамперная характеристика фотоэффекта.

4. Законы Столетова для фотоэффекта.

5. Что такое задерживающее напряжение.

6. Какова цель данной лабораторной работы?

7. Какие производят измерения и какие строят графики?

8. Как определить постоянную Планка?

Работа 66. Изучение спектра атома водорода

Цель работы

Исследование видимой части спектра атома водорода и определение постоянной Ридберга.

1. Приборы и принадлежности

Монохроматор – спектрометр, ртутная лампа, водородная трубка, конденсор, источник высокого напряжения с пусковым устройством.

9. Краткая теория.

Энергии электронов в атомах могут принимать только определенные дискретные значения. Состояния, отвечающие этим значениям энергии, называются энергетическими уровнями. При переходе электронов на более низкие энергетические уровни излучаются спектральные линии. Совокупность линий, отвечающих переходам на один и тот же нижний уровень, образует спектральную серию.

Наиболее простой является система энергетических уровней атома водорода. Квантовая теория даёт для значений энергии водородного атома формулу:

. (n=1,2,3,…) (1)

где n – главное квантовое число,

m – масса электрона,

e – заряд электрона,

ε₀ - электрическая постоянная,

h – постоянная Планка.

Энергия электрона отрицательна, т.к. он находится в атоме в связанном состоянии.

= − 13,55 эВ;

= − 3,39 эВ;

= − 1,5 эВ,

.

Определим частоту излучения кванта энергии атомом.

; ;

. (2)

Обозначим постоянную Ридберга для водорода

. (3)

после вычислений получим значение .

Для частоты после введения постоянной можно записать формулу

.

Для атома водорода заряд .

Учитывая связь частоты и длины волны , получаем обобщенную формулу Бальмера для длины волны

, (4)

где м^1 также называется постоянной Ридберга, ,

Эта формула явилась обобщением формулы, найденной опытным путём швейцарским физиком И. Бальмером в 1885 году для известных тогда линий спектра водорода.

В 1913 году датский физик Н. Бор, сделав некоторые допущения, содержащиеся в двух высказанных им постулатах, сумел дать теоретическое объяснение спектральным закономерностям, наблюдаемым для атома водорода и дал вывод формулы Бальмера.

Для атома водорода теория Бора даёт те же возможные значения энергии, что и квантовая механика. Однако попытки, используя те же допущения, построить теорию атома гелия потерпели неудачу.

Совокупность линий, определяемая формулой Бальмера при n =1 и m=2,3,4,… образует серию, обнаруженную в 1906 году Т. Лайманом. Эта серия лежит в ультрафиолетовой области спектра (серия Лаймана) Первая из инфракрасных серий ( n=3, m=4,5,6,…) была обнаружена в 1908 году Ф. Пашеном и носит его имя. Следующая только в 1922году Ф. Брекетом (n=4, m=5,6,7,…).

Серия Бальмера лежит в видимой и близкой ультрафиолетовой области спектра (примерно от 360 нм до 660нм).

Возможные переходы в водородном атоме можно представить наглядно с помощью схемы энергетических уровней, представленной на Рис 1

Из рисунка видно, что линии в спектре водорода можно расположить по сериям. Для всех линий одной и той же серии значение n остаётся постоянным ,а m может принимать любые целые значения, начиная с n+1.

Состояние атома с минимальной энергией Е₁ называется основным. Если атом получит извне некоторое количество энергии, то , в зависимости от её величины, он может перейти в одно из возбужденных состояний. При этом электрон оказывается на одном из уровней с номерами 2,3,4,…. Такое состояние системы является неустойчивым. Через время порядка 10^-8 с электрон из возбужденного состояния переходит на уровень с меньшим значением энергии. Избыток энергии будет испущен в виде светового кванта. В конечном счете , атом возвращается в основное состояние. Поскольку одновременно излучает огромное количество атомов, в спектре излучения наблюдаются все возможные в данных условиях линии, хотя в каждом из атомов в данный момент совершается лишь один какой – либо из возможных переходов.

При получении энергии извне электрон может не только перейти на лежащий выше уровень, но и оторваться от атома. Минимальное количество энергии, которое требуется, чтобы оторвать электрон от атома, находящегося в основном состоянии, называется энергией ионизации атома или энергией связи электрона в атоме.

Иногда используют понятие потенциала ионизации. Под потенциалом ионизации называется разность потенциалов, которую должен пройти электрон в электрическом поле, чтобы приобрести энергию, равную энергии ионизации атома.

Энергии, соответствующие всем уровням атома (кроме уровня n = ∞) имеют отрицательные значения. Связано это с тем что за нуль потенциала поля ядра был выбран потенциал в бесконечно удаленной от него точке и в качестве нуля энергии выбрали энергию электрона, расположенного вдалеке от протона. Когда электрон ближе его энергия меньше, т.е. меньше нуля Энергия наименьшая при n =1 и возрастает к нулю с ростом n.

В данной работе изучается серия Бальмера.