Атомная физика лабораторные работы
.pdf
Рис. 36. Внешний вид шкалы монохроматора
5. Наблюдая синюю линию спектра ртути, проведите юстировку монохроматора. Для этого получите резкое изображение спектральной линии перемещением окуляра зрительной трубы вдоль своей оси и резкое изображение визирного креста вращением окуляра. Далее, вращением зрительной трубы вокруг своей оси и юстировочных винтов 1 и 2 (рис. 37) добейтесь совпадения спектральной линии с вертикальной линией визирного креста (вертикальная линия визирного креста должна точно совпадать со спектральной линией).
После проведения юстировки монохроматора юстировочные винты 1 и 2 вращать нельзя.
Рис. 37. Внешний вид окуляра зрительной трубы и юстировочных винтов
91
6.Еще раз проверьте экспериментально соответствие голубой, зеленой, 1-й желтой и 2-й желтой линий спектра ртути их длинам волн (см. табл. 8) и на шкале монохроматора.
7.Выключите ртутную лампу тумблером «Hg» и включите натриевую лампу тумблером «Na». Прогрейте натриевую лампу в течение 5 мин.
8.Направьте свет от натриевой лампы при помощи устройства выбора источника света на входную щель монохроматора.
9.Вращением ручки 1 монохроматора (см. рис. 36) установите длины волн основных ярких линий спектра натрия.
10.Найдите наиболее интенсивную желтую линию натрия, соответствующую главной серии. В действительности эта линия является дублетом (рис. 38).
Таблица 8
Линии спектра ртути
Окраска |
Относительная |
Длина волны (табличная), |
линии |
яркость |
нм |
|
|
|
Синяя |
8 |
435,83 |
Голубая |
1 |
491,60 |
Зеленая |
10 |
546,07 |
Желтая 1-я |
8 |
576,96 |
Желтая 2-я |
10 |
579,07 |
Рис. 38. Вид дублета натрия в зрительном окне монохроматора
11. Медленно вращая ручку монохроматора против часовой стрелки, добейтесь четкого расположения одной линии компоненты дублета в центре объектива монохроматора.
92
12. Измерьте значения 1-й и 2-й желтых линий и запишите полученные данные в таблицу (табл. 9).
В табл. 9 одновременно приводятся значения квантовых чисел электрона на энергетическом уровне, с которого осуществляется данный переход (п' и l') и на который выполняется переход (п и l), значения постоянных экранировки этих уровней ( nl и n'l'), а также табличные значения длин волн, соответствующих данному переходу.
13. Проведите наблюдение спектра натрия Na и найдите его желто-зеленый дублет. Запишите длины волн линий, считывая показания со шкалы прибора.
Таблица 9
Видимые дублеты спектра натрия
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Экспе- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Табличные |
|
|
римен- |
|
|
Серия |
|
|
n |
|
|
l |
|
|
nl |
|
|
n' |
|
|
l' |
|
|
n'l' |
|
|
значения |
|
|
тальные |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
, |
|
|
значения |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
нм |
|
|
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
нм |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Главная (желтая) |
3 |
|
0 |
|
9,156 |
|
3 |
|
1 |
|
9,583 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
1-я линия |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
589,0 |
|
|
|
|
||
|
2-я линия |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
589,6 |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Диффузная (желто- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
зеленая) |
3 |
|
1 |
|
9,583 |
|
4 |
|
2 |
|
9,997 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
1-я линия |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
568,8 |
|
|
|
|
||
|
2-я линия |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
568,3 |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
14. Выполните расчёт экспериментального значения расщепления энергии уровня Е21 эксп по формуле
93
|
1 |
|
1 |
|
|
|
|
||||
|
|
||||
E21эксп hc |
2 |
. |
|||
|
|
1 |
|
||
15. Вычислите теоретическое значение расщепления энергии Е21 теор по формуле
E21теор |
|
(Z т.с)4 |
4mc2 |
|
1 |
, |
n3 |
|
4 |
||||
|
|
|
|
|
воспользовавшись при этом значением обобщенной справочной поправки тонкой структуры т.с , приведенным в табл. 10.
16. Вычислите экспериментальное значение постоянной тонкой структуры эксп по формуле
|
|
|
1 |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
h |
|
|
4n3 |
|
|||
|
|
|
|
|
|||||
4 |
|
|
2 |
|
|
|
|||
|
|
|
|
1 |
|
|
|
||
эксп |
|
|
|
|
mc |
|
|
||
|
|
Z т.с |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|||||
исравните его с табличным значением табл (см. табл. 10).
17.Оцените ε – относительную ошибку измерения постоян-
ной тонкой структуры – по следующей формуле:
табл эксп 100%.
табл
18.Все выполненные измерения и вычисления внесите в итоговую таблицу (табл. 10).
Таблица 10
Образец отчетной таблицы
|
λ2, |
|
λ1, |
|
Е21 эксп , |
|
σт.с |
|
Е21 теор , |
|
αэксп |
|
αтабл |
|
ε |
|
нм |
|
нм |
|
эВ |
|
|
эВ |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
7,445 |
|
|
|
|
0,007297 |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
94
Справочные материалы
Рис. 39. Схема энергетических уровней атома ртути Hg
95
Рис. 40. Схема энергетических уровней атома натрия Na
96
Таблица 11
Некоторые спектральные линии натрия Na
Длина |
Интен- |
Энергия |
Энергия |
Переход |
волны , |
сивность I, |
нижнего |
верхнего |
|
|
отн. ед. |
уровня Eн |
уровня Eв |
|
нм |
|
|||
|
|
|||
|
|
|
||
737,323 |
2 |
3,19 |
4,87 |
4s2S – 8p2P |
616,075 |
2 |
2,10 |
4,12 |
Зр2Р – 5s2S |
615,423 |
1 |
2,10 |
4,12 |
3р2Р – 5s2S |
589,592 |
16 |
0,00 |
2,10 |
3s2S – 3p2P |
588,995 |
32 |
0,00 |
2,10 |
3s2S – 3p2P |
568,820 |
9 |
2,10 |
4,28 |
3p2P – 4d2D |
568,819 |
1 |
2,10 |
4,28 |
3p2P – 4d2D |
568,263 |
5 |
2,10 |
4,28 |
3p2P – 4d2D |
566,98 |
3 |
2,10 |
4,29 |
3p2P – 4f 2F |
553,20 |
2 |
– |
– |
– |
|
|
|
|
|
515,340 |
2 |
2,10 |
4,51 |
3p2P – 6s2S |
514,884 |
1 |
2,10 |
4,51 |
3p2P – 6s2S |
498,281 |
2 |
2,10 |
4,59 |
3p2P – 5d2D |
497,854 |
1 |
2,10 |
4,59 |
3p2P – 5d2D |
475,182 |
2 |
2,10 |
4,71 |
3p2P – 7s2S |
Контрольные вопросы и задания
1.Какие виды связи существуют в сложных атомах? В чем их различие?
2.Каким образом и для чего вводится понятие «терм» атома? Что оно означает?
3.У некоторого атома значение результирующего квантового числа S спинового момента равно 2. При этом значение квантового числа L результирующего орбитального момента равно 3. Запишите все возможные термы.
97
4.У некоторого атома значение результирующего квантового числа S спинового момента равно 2. При этом значение квантового числа L результирующего орбитального момента равно 1. Запишите все возможные термы.
5.Каков физический смысл «правил отбора»? Возможен ли
впринципе переход с L = 2?
6.По данным рис. 29 и 40 вычислите энергию термов 3D3/2, 5/2. Равны ли в точности значения энергии этих термов?
7.На какие серии принято делить спектры сложных атомов? К какой серии принадлежит исследуемая в данной работе линия?
8.Что такое спин-орбитальное взаимодействие?
9.Запишите электронную конфигурацию атома натрия в основном состоянии и терм основного состояния атома.
10.Перечислите способы возбуждения атомов. Какой способ возбуждения свечения используется в данной работе?
Рекомендуемая литература
Вихман Э. Берклеевский курс физики. Т. 4: Квантовая физика. СПб.: Лань, 2006.
Гольдин Л.Л., Новикова Г.И. Введение в квантовую физи-
ку. М.: УРСС, 1994.
Гольдин Л.Л., Новикова Г.И. Квантовая физика. Вводный курс. М.: Институт компьютерных исследований, 2005.
Матвеев А.Н. Атомная физика. М.: Высшая школа, 1989. Попов А.М., Тихонова О.В. Лекции по атомной физике. М.:
МГУ, 2007.
Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т. 5: Атомная и ядерная физика. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006.
Шпольский Э.В. Атомная физика. Т. 2: Основы квантовой механики и строение электронной оболочки атомов. СПб.: Лань, 2010.
98
СОДЕРЖАНИЕ
Лабораторная работа № 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОТНОШЕНИЯ ЗАРЯДА ЭЛЕКТРОНА К ЕГО МАССЕ МЕТОДОМ МАГНЕТРОНА . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
Лабораторная работа № 2. ОПЫТ ФРАНКА И ГЕРЦА . . . . . 12
Лабораторная работа № 3. ИЗУЧЕНИЕ НЕОН-ГЕЛИЕВОГО ЛАЗЕРА . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
Лабораторная работа № 4. ИЗУЧЕНИЕ СЕРИАЛЬНЫХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ В СПЕКТРЕ АТОМА ВОДОРОДА . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
Лабораторная работа № 5. СПЕКТР АТОМА ВОДОРОДА. |
|
АТОМ БОРА . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . . . . . 55 |
Лабораторная работа № 6. АТОМНЫЕ |
МОДЕЛИ |
ДЖ. ТОМСОНА И Э. РЕЗЕРФОРДА . . . . . . . . |
. . . . . . . . 65 |
Лабораторная работа № 7. ИЗУЧЕНИЕ СПЕКТРА АТОМА НАТРИЯ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
99
Учебное издание
Ба р к о в Анатолий Петрович
До р о ш Виктор Саввич
Ни к и т и н Валерий Александрович
Пр о х о р о в Владимир Петрович
Х о т н я н с к а я Елена Борисовна
ОСНОВЫ АТОМНОЙ ФИЗИКИ
Лабораторный практикум
_________________________________________
Подписано в печать 09.02.12. Формат 60 841/16. Уч.-изд. л. 6,3. Тираж 200 экз. Заказ №
Кубанский государственный университет 350040, г. Краснодар, ул. Ставропольская, 149. Издательско-полиграфический центр КубГУ 350040, г. Краснодар, ул. Ставропольская, 149.
3