книги из ГПНТБ / Руководство к лабораторным занятиям по физике учеб. пособие

410 V. ОПТИКА И АТОМНАЯ ФИЗИКА

Получите эллиптически поляризованный зеленый свет, исполь­ зуя одну из двоякопреломляющих пластинок. Определите главные направления эллипса поляризации. С помощью пластинки в V4 установите направление вращения электрического вектора в эллип­ тически поляризованной волне.

Поместите между поляроидами пластинку, собранную из лист­ ков слюды. Проведите наблюдение в следующих двух случаях: а) пластинка поворачивается между скрещенными поляроидами и б) пластинка неподвижна, поворачивается анализатор. Объясните наблюдаемое изменение интенсивности и цвета.

Принадлежности: призменный монохроматор УМ-2, водородные газоразряд­ ные трубки, катушка Румкорфа, ртутная лампа ПРК-4, неоновая лампа.

Положение линий в атомных спектрах может быть объяснено только на основе квантовых представлений. Квантовая механика показывает, что энергия электронов в атоме может принимать не любые, а только некоторые определенные значения, образующие дискретный набор. Состояния с различными значениями энергии называются уровнями. Спектральные линии возникают при пере­ ходе электронов с одного уровня на другой (более низкий), энергия кванта равна разности энергий этих двух уровней:

Здесь h — постоянная Планка, равная 6,625 •КГ27 эрг-с. Совокуп­ ность линий, имеющих общий нижний уровень, составляет спек­ тральную серию.

Наиболее простую картину образуют уровни атома водорода. Теория показывает, что энергия уровней водорода подчиняется

где п — целое число (главное квантовое число).

Из (1) и (2) следует, что длины волн спектральных линий атома водорода описываются формулой

а т и п — целые числа.

Формула (3) известна в спектроскопии очень давно (1885 г.). Она была найдена эмпирически и получила название обобщенной

1.Входная щель 1, снабженная микрометрическим винтом 9, который позволяет открывать щель на нужную ширину. Обычная рабочая ширина щели равна 0,02 -е 0,03 мм.

2.Коллиматорный объектив 2, снабженный микрометриче­

ном столике 6. Призма 3 состоит из трех склеенных призм Рх, Рг и Ря. Первые две призмы Рх и Ръ с преломляющими углами 30° изготовлены из тяжелого флинта, обладающего большой диспер­ сией. Промежуточная призма Р3 сделана из крона. Лучи отра­ жаются от ее гипотенузиой грани и поворачиваются на 90°. Благодаря такому устройству дисперсии призм- Рх и Р2 скла­ дываются.

4. Поворотный столик 6 вращается вокруг вертикальной оси при помощи микрометрического винта с отсчетным барабаном 7. На барабан нанесена винтовая дорожка с градусными делениями. Вдоль дорожки скользит указатель поворота барабана. При вра­ щении барабана призма поворачивается, и в центре поля зрения появляются различные участки спектра.

5. Зрительная труба, состоящая из объектива 4 и окуляра 5. Объектив 4 дает изображение входной щели 1 в своей фокальной плоскости. В этой плоскости расположен указатель 10. Изображе­ ние рассматривается через окуляр 5.

В случае надобности окуляр может быть заменен выходной щелью, пропускающей одну из линий спектра. В этом случае при­

6.Массивный корпус 11, предохраняющий прибор от поврежде­ ний и загрязнений.

7.Оптическая скамья, на которой могут перемещаться рейтеры

систочником света Л и конденсором К, служащим для концентрации света на входной щели. Источник света рекомендуется располагать на расстоянии 45 см от щели, а конденсор — примерно в 13 см от источника. Для яркого освещения входной щели конденсор пере­ мещают вдоль скамьи, стремясь получить на щели изображение источника света. При этом для удобства наводки на щель надевают белый колпачок с крестиком.

8.Пульт управления, служащий для питания источников света и осветительной системы спектрометра. На пульте имеются гнезда для включения осветителей (3,5 В), неоновой лампы и лампы нака­ ливания. Тумблеры, расположенные на основании спектрометра, позволяют включать лампочки осветителей шкал и указателя спектральных линий. Яркость освещения указателя регулируется реостатом.

При подготовке прибора к наблюдениям особое внимание следует обращать на тщательную фокусировку, с тем чтобы указатель 10 и спектральные линии имели четкие, ясные границы. Фокусировка производится в следующем порядке: перемещая окуляр, следует получить резкое изображение острия указателя 10. Осветив вход­ ную щель прибора ртутной лампой, нужно найти спектральные линии ртути и получить их ясное изображение при помощи микро­ метрического винта 8.

Для отсчета положения линии ее центр совмещают с острием указателя. Отсчет производится по делениям барабана. Для умень­ шения ошибки ширину входной щели делают по возможности малой (0,02—0,03 мм по шкале микрометрического винта). Для наблюде­ ния самых слабых линий в крайней фиолетовой области щель при­ ходится несколько расширять (до 0,05 -н 0,06 мм). Глаз лучше заме­ чает слабые линии в движении, поэтому при наблюдении удобно слегка поворачивать барабан в обе стороны от среднего положения.

Градуировка спектрометра. Спектрометр УМ-2 нуждается в пред­ варительной градуировке. Для градуировки удобно применять ртут­ ную лампу ПРК-4 2)1 . Таблица спектральных линий, даваемых этой лампой, с указанием их относительной яркости приведена в конце книги. Красная линия ртути в излучении лампы ПРК-4 очень слаба, и поэтому для градуировки прибора в красной части спектра следует пользоваться другим источником — неоновой лампой, спектр которой богат красными линиями различных оттенков. Таблица спектральных линий неона с визуальной оценкой их отно­ сительной яркости также приведена в конце книги.

Градуировочную кривую следует строить в крупном масштабе на листе миллиметровой бумаги. По оси х откладываются градусные деления барабана, а по оси у — длины волн соответствующих линий. Иногда при построении графика некоторые экспериментальные точки оказываются смещенными от плавной кривой. Чаще всего такие «выбросы» свидетельствуют о неправильной расшифровке наблюдае­ мой картины спектральных линий (главным образом для неона). В этом случае необходимо более внимательно' сопоставить картину с таблицей и внести в градуировочный график йеобходимые исправ­ ления.

Измерения. 1. Проградуируйте спектрометр по спектрам ртути

инеона. Постройте градуировочный график.

2.Измерьте длины волн водородных линий На, Нр, HY и Н6.

1)При прецизионных измерениях длин волн и постоянной R целесообразно применять интерференционные спектрометры, обладающие существенно более высоким разрешением.

2)В нашей установке ртутная лампа питается высоким напряжением от катушки Румкорфа.

3.Убедитесь в том, что отношение длин волн водородных линий соответствует формуле (3).

4.Для каждой из наблюдаемых линий водорода вычислите значение постоянной Ридберга, определите ее среднее значение по всем измерениям и оцените погрешность измерения. Сравните результаты опыта с табличным значением R.

Вопытах по" измерению длин волн бальмеровской серии источ­ ником света служит водородная трубка Н-образной формы, питае­

мая от катушки Румкорфа. Наибольшая яркость спектра дости­ гается в том случае, когда источником света служит торец горизон­ тальной части трубки (капилляр).

Следует отметить, что в спектре водородной трубки наряду с ли­ ниями атомного спектра наблюдается спектр молекулярного водо­ рода1). Поэтому начинать поиск нужных линий нужно с наибо­ лее интенсивной красной линии Н„. Вторая линия Hß — зелено-го­ лубая.

В промежутке между На и Hß располагаются несколько красно­ желтых и зеленых сравнительно слабых молекулярных полос.

Третья линия HY— фиолетово-синяя. Перед этой линией рас­ полагаются две слабые размазанные молекулярные полосы синего цвета. Четвертая линия Hg — фиолетовая. Ее удается найти в излу­ чении лишь некоторых экземпляров водородных трубок.

Принадлежности: рентгеновская установка УРС-55 с трубкой, обладающей медным антикатодом, рентгеновский спектрометр, рентгеновская пленка и дру­ гие фотопринадлежности, рентгеновская камера РКД для исследования поли­ кристаллов.

Рентгеновское излучение. При бомбардировке антикатода рент­ геновской трубки быстрыми электронами возникает рентгеновское излучение двух типов: с непрерывным и с дискретным спектром. Рентгеновское излучение с непрерывным спектром возникает в ре­ зультате торможения электронов в веществе антикатода (анода). Дискретное излучение испускается возбужденными атомами анти­ катода.

1) Для увеличения яркости интересующих нас линий атомного водорода при изготовлении трубки в состав газа иногда добавляют пары воды. Молекулы воды в электрическом разряде разлагаются, образуя атомный водород. Трубка запол­ няется газом до давления 5 ч- 10 мм рт. ст.

Состояние электрона в атоме характеризуется энергией его связи. Как известно, энергия связи электрона может принимать не любые значения, а лишь определенную дискретную совокупность значений, характерную для данного атома. При этом энергия связи максимальна в том случае, когда электрон находится на ближайшей к ядру орбите, и уменьшается при его переходе на высшие орбиты. Для того чтобы перевести электрон на одну из высших орбит, необ­ ходимо поэтому сообщить ему энергию, равную разности энергий связи в начальном и в конечном состоянии. Энергия может пере­ даваться атомным электронам разными способами. В рентгеновских трубках для этой цели используются пучки быстро летящих сво­ бодных электронов, ускоренных между катодом и анодом.

Если энергия, сообщенная атомному электрону, превосходит его начальную энергию связи, электрон переходит в свободное состоя­ ние. В этом состоянии энергия электрона может принимать любые значения.

При переходе электрона с высокой орбиты (или из свободного состояния) на более низкую происходит освобождение энергии. Такие переходы происходят поэтому самопроизвольно. Освобождаю­ щаяся энергия испускается в виде кванта излучения х). Энергия кванта равна разности энергий связи электрона в начальном и конечном состояниях. Чем больше эта разность, тем больше энергия кванта, испускаемого атомом, тем жестче излучение. При переходе электронов на орбиты, близкие к ядру, испускаются рентгеновские кванты.

Пусть напряжение на рентгеновской трубке достаточно велико, так что энергия электронов, бомбардирующих антикатод, превышает

/(-электронов называют /(-оболочкой).

Энергия связи электрона на высших орбитах мала по сравнению с энергией связи /(-электронов. Вероятность того, что /(-электрону будет передано ровно столько энергии, сколько нужно для того, чтобы перевести его в высокое возбужденное состояние, оказы­ вается невелика. Более вероятным оказывается процесс полного удаления электрона из атома в область непрерывного спектра, требующий в силу сказанного ненамного больше энергии, чем переброс его на далекие орбиты.

Атом с удаленным /(-электроном неустойчив. Свободное место в /(-оболочке заполнется электроном с какой-нибудь более далекой оболочки. Кванты, излучаемые при заполнении /(-оболочки, принад­ лежат к так называемой /(-серии. В зависимости от того, какой)*

*) Энергия, освобождаемая при переходе электрона на более низкую орбиту, может и не излучаться, а передаваться другому электрону (эффект Оже). Даль­ нейшее излучение таких атомов является мягким и в настоящей работе не изу­ чается.

I.Дифракция рентгеновских лучей

вмонокристаллических образцах

При работе с монокристаллическими образцами обычно исполь­ зуют спектрометр типа Брегга. Схема спектрометра изображена на рис. 229. Щель А и рентгеновская пленка ВС располагаются по окружности радиуса г. Середина верхней плоскости кристалла /\ совмещается с центром окружности 0±. кристалл качается вокруг Ог

с помощью специального кулачкового механизма.

Интенсивное отражение рентгеновских лучей от кристалла происходит втом случае, когда выполняется условие Брегга — Вульфа.

Іа и /р на рентгеновской пленке. На пленке видно также изо­ бражение входной щели О.

Заметим, что брегговский спектрометр обладает способностью фокусировки по направлению. Проникающий через щель А пучок лучей не бесконечно тонок: пусть он расходится под небольшим углом 2ß0 (рис. 230). Если в некоторый момент условие (1) выпол­ нено для луча АОъ то оно не выполнено ни для АСЪ ни для ЛС2. Условие (1) будет, однако, выполнено для АСЪ когда кристалл