Лабораторный практикум по физике для вечернего фак 2007

Работа 19 ЛИНЕЙЧАТЫЕ СПЕКТРЫ ИСПУСКАНИЯ

Цель работы: наблюдение линейчатых оптических спектров испускания паров ртути, атомарного водорода, неона; определение длин волн линий видимого спектра водорода (серия Бальмера).

Введение

Спектр излучения атомов различных элементов, находящихся в газообразном состоянии, состоит из узких линий, соответствующих определенным длинам волн. Эти линии можно сгруппировать в серии. Опытным путем было установлено, что для атома водорода длины испускаемых волн λ в различных сериях подчиняются фор-

где Rλ =1,097 107 м−1 - постоянная Ридберга по длине волны; n и

m −целые числа, причем m > n .

Для частот формула (19.1) выглядит следующим образом:

ний, длины волн которых находятся в ультрафиолетовой части спектра. Эта серия называется серией Лаймана.

Остальные серии, например, серия Пашена ( n = 3 , m > 3 ), находятся в инфракрасной области спектра.

Закономерности в спектрах испускания водорода были объяснены Н. Бором после введения двух постулатов:

171

1. Атом может находиться только в особых стационарных (квантовых) состояниях, соответствующих определенной энергии En . Находясь в стационарном состоянии, атом не излучает.

2.Атом излучает свет при переходе из стационарного состояния

сбольшей энергией Em в состояние с меньшей энергией En . Энер-

гия Emn = hνmn излученного фотона равна разности энергии тех стационарных состояний, между которыми совершается переход:

излученного света при переходе атома из энергетического состояния с квантовым числом m в состояние с квантовым числом n ( c −скорость света в вакууме). При этом следует иметь в виду, что переход атома из одного состояния в другое сопровождается переходом электрона в атоме с одной стационарной орбиты на другую. Теория, основанная на этих постулатах, полностью описывает экспериментальные зависимости (19.1) и (19.2).

Образование спектральных серий иллюстрируется с помощью графической схемы, показанной на рис.19.1. На этой схеме каждому уровню энергии атома соответствуют, отрезки горизонтальных прямых, которые располагаются на различной высоте вдоль вертикальной оси энергии. За нулевое значение энергии принимается энергия атома в таком состоянии, когда электрон находится на бесконечно большом расстоянии, т.е. когда атом ионизован ( n → ∞,

En = 0 ) При этом энергии атома во всех остальных состояниях оказываются отрицательными. Самый нижний уровень энергии атома−уровень основного состояния ( n =1, E1 = −13,53 эВ) атома

водорода. Переходы атома из одного состояния в другое обозначены на рис.19.1 вертикальными стрелками. Такая схема позволяет легко связать энергию фотона, т.е. его частоту, а следовательно и длину волны с квантовыми числами n и m , т.е. с теми же целыми числами, которые использованы в экспериментальных формулах

(19.1) и (19.2).

172

обеспечивает поджиг ртутной и неоновой ламп, а также накал лампочек подсветки и указателя монохроматора. Водородная лампа подключена к собственному источнику высоковольтного напряжения ВБП.

Рис.19.2

Принципиальная схема монохроматора изображена на рис. 19.3. Основными его частями являются коллиматор, дисперсионная призма 5 и зрительная труба. Свет от источника I поступает на щель коллиматора 10, ширина которой может регулироваться винтом 9. Входная щель находится в фокусе объектива кoлиматopa 6. Вышедший из него пучок лучей является параллельным и, пройдя дисперсионную призму 5, дает в поле зрения зрительной трубы картину спектра. Спектр наблюдается через окуляр 1, который закреплен в тубусе монохроматора с помощью винта 2.

Внутри окуляра помещен указатель, относительно которого должна устанавливаться изучаемая линия спектра. Для получения резкого изображения указателя используется поворотное кольцо снаружи окуляра, с помощью которого передвигается линза окуляра. Установка объектива коллиматора в правильное положение относительно щели производится винтом 7. Это положение можно отметить по шкале. Если в поле зрения зрительной трубы монохроматора одинаково резко видны указатель и края щели коллиматора,

174

то фокусировка монохроматора выполнена правильно. В противном случае следует произвести фокусировку (наведение на резкость изображения) сначала указателя с помощью поворотного кольца на окуляре, а затем произвести фокусировку щели коллиматора винтом 7. Заслонка 8 служит для перекрывания светового луча. В рабочем положении заслонка должна быть открыта. Установка линии производится путем поворота дисперсионной призмы барабаном 4.

На барабане нанесены градусные деления, оцифрованные от 50o до

3500o через каждые 50o . Цена каждого деления равна 2o Снятие отсчетов с барабана производится с помощью бегунка 3.

Рис.19.3

Указание!

Монохроматор отрегулирован и находится в рабочем состоянии, крутить регулировочные винты при выполнении эксперимента не рекомендуется.

175

Порядок выполнения работы

Задание 1. Построить градуировочный график монохроматора.

1.Установите на скамье перед щелью мoнoxpoмaтopa ртутную лампу, и кнопкой «поджиг» на блоке питания зажгите ее.

2.Наблюдая в зрительную трубу монохроматора, перемещайте ртутную лампу до положения, при котором в поле зрения отчетливо видны линии ртути.

176

Таблица 19.2

3. Совмещая линии спектра с указателем, производите отсчет показаний по шкале барабана всех видимых линий в диапазоне от 0

до 3500o . Измерения ϕi выполните три раза, результаты занесите в табл. 19.1. Рассчитайте среднее значение ϕ для каждой линии.

4.Установите на скамье неоновую лампу вплотную к щели монохроматора. Питание неоновой лампы осуществляется от блока питания монохроматора. Лампа находится во включенном состоянии.

5.Совмещая наблюдаемые линии спектра с указателем, производите отсчет показаний по шкале барабана наиболее ярких види-

177

мых линий преимущественно в длинноволновой части спектра. Длины волн линий определяйте по спектрограмме, находящейся на

рабочем столе. Измерения ϕi выполните три раза, результаты запишите в табл. 19.2. Рассчитайте среднее значение ϕ для каждой линии.

6. Постройте градуировочный график монохроматора λ(ϕ), ис-

пользуя результаты табл. 19.1 и 19.2. Оцените точность последующих измерений с использованием вашего графика.

Задание 2. Определить длины волн в спектре излучения водорода в видимой области.

1.Расположите на скамье водородную лампу вплотную к щели монохроматора и тумблером высоковольтного блока питания зажгите ее (выполняется преподавателем или лаборантом).

2.Совмещая наблюдаемые линии спектра с указателем, произ-

водите отсчет показаний по шкале барабана. Измерения ϕi выпол-

ните три раза, результаты запишите в табл. 19.3. Рассчитайте среднее значение ϕ для каждой линии.

3. Определите длины волн λ(эксп.) спектра водорода, используя результаты эксперимента и градуировочный график. Сравните полученные результаты с табличными значениями (табл. 19.3).

178

Контрольные вопросы

1.Сформулируйте постулаты Бора.

2.В чем постулаты Бора противоречат положениям классической физики?

3.Какие экспериментальные доказательства существования стационарных состояний атома вам известны?

4.Каков механизм возбуждения атомов?

5.Каким переходам в спектре атома водорода соответствуют линии, которые были определены в эксперименте?

6.Почему именно такие цвета имеют: разряд в водородной трубке? излучение ртутной лампы? неоновой лампы? лампы накаливания?

7.Рассчитайте минимальную и максимальную длины волн серии Бальмера.

8.Как определить энергию ионизации атома водорода?

179

Работа 20 ИЗЛУЧЕНИЕ ГАЗОВОГО ЛАЗЕРА

Цель работы: наблюдение линейчатого спектра излучения неона и гелий-неонового лазера; определение длины волны генерации лазера.

Введение

Оптическими квантовыми гeнepaтopaми (ОКГ), или лазерами, называются приборы, в которых используется вынужденное излучение для генерации когерентных электромагнитных колебаний в оптическом диапазоне спектра.

Как известно, энергия атома может принимать лишь определенный дискретный ряд значений E1, E2 , ..., называемых уровнями

энергии (см. введение к работе 19). Самый низкий уровень E1 , при

котором энергия атома наименьшая, называется основным, а остальные уровни, соответствующие более высокой энергии атома - возбужденными. Если атом в данный момент находится в одном из

возбужденных состояний, например E2 , то такое состояние будет

неустойчивым. Через короткое время τ, называемое временем жизни в возбужденном состоянии (для так называемых разрешен-

ных переходов оптического диапазона τ ≈10−8 с), атом без какихлибо внешних воздействий перейдет в одно из состояний с меньшей энергией (в рассматриваемом случае− E1 ). При этом атом ис-

пустит фотон с частотой ν21 =(E1 − E1 )h (рис. 20.1,а).

Рис.20.1

180