3 семестр / Лабораторные работы / Вопросы и ответы на защиту / Лаба № 9 / Ответы

Лабораторная работа № 9

Исследование линейчатых спектров испускания

1. Что такое спектр испускания?

Спектр испускания - набор линий или полос в электромагнитном спектре, испускаемым веществом. Спектр испускания уникален для каждого вещества и может использоваться, чтобы определить состав.

2. Какие виды спектров вам известны? При каких условиях они наблюдаются?

По характеру распределения значений физической величины спектры могут быть дискретными (линейчатыми), непрерывными (сплошными), а также представлять комбинацию (наложение) дискретных и непрерывных спектров.

Примерами линейчатых спектров могут служить масс-спектры и спектры связанно-связанных электронных переходов атома; примерами непрерывных спектров — спектр электромагнитного излучения нагретого твердого тела и спектр свободно-свободных электронных переходов атома; примерами комбинированных спектров — спектры излучения звёзд, где на сплошной спектр фотосферы накладываются хромосферные линии поглощения или большинство звуковых спектров

Другим критерием типизации спектров служат физические процессы, лежащие в основе их получения. Так, по типу взаимодействия излучения с материей, спектры делятся на эмиссионные (спектры излучения), адсорбционные (спектры поглощения) и спектры рассеивания.

3. Написать уравнение Шрёдингера для атома водорода.

4. Какие квантовые числа характеризуют состояние электрона в атоме, какие значения они принимают?

Для серии Лаймана n = 2,3,4…

Для серии Бальмера n = 3,4,5…

Для серии Пашена n = 4,5,6…

5. Какой атом называется возбуждённым?

При подведении энергии к атому электрон переместится на одну из более удаленных орбит, при этом прочность связи его с ядром уменьшится, а запас энергии атома увеличится. Такое состояние атома называется возбужденным. В возбужденном состоянии атом находится лишь миллионные доли секунды, после чего электрон сразу или поэтапно возвращается на исходную орбиту.

6. По какому признаку линии объединяются в серии? Какие спектральные серии водорода вам известны?

7. Как образуются линии серии Бальмера?

См.пред. пункт

1. Что такое волновое число?

2. Каков физический смысл постоянной Ридберга, рассчитываемой в работе?

Физически постоянная Ридберга есть энергия ионизации атома водорода, выраженная в волновых числах.

3. Каков результат решения уравнения Шрёдингера для атома водорода?

где n – главное квантовое число, принимающее только целочисленные значения n = 1, 2, 3…; m – масса электрона, e – величина элементарного заряда, ε₀ – электрическая постоянная, ћ – постоянная Планка. В атоме водорода основное (нормальное) состояние характеризуется главным квантовым числом n = 1.

4. Как получается формула (1), приведённая в описании работы?

5. Вывести формулу (5), приведённую в описании работы.

1. С помощью какого прибора наблюдается спектр? Как работает прибор, его основные части?

Для наблюдения видимой части спектра используется монохроматор УМ-2. Монохроматор служит для выделения из спектра узкой полосы или определенной спектральной линии. Основными частями монохроматора являются коллиматор, диспергирующая призма с поворотным механизмом и зрительная труба. Оптическая схема прибора изображена на рис. 1.

* S

Рис. 1

Свет от источника S с помощью линзы L₁ (конденсора) фокусируется на входной щели K₁ коллиматора. Назначение коллиматора – дать параллельный пучок света, падающий на призму P. Для этого щель K₁ устанавливается в фокальной плоскости объектива коллиматора L₂. В призме свет разной длины волны преломляется неодинаково в зависимости от показателя преломления. Выходящие из призмы пучки параллельных лучей разных цветов, имея различные направления, дают в фокальной плоскости линзы L₃ целый ряд различно окрашенных изображений щели – спектр. Наблюдать спектр можно с помощью окуляра L₄, который вместе с линзой L₃ (объективом) образует зрительную трубу. Общий вид монохроматора представлен на рис. 2.

Рис. 2

Коллиматор крепится в обойме 1 на плате 2. Ширина раскрытия щели 3 регулируется барабанчиком 4. Призма монохроматора делается подвижной. Столик, на котором установлена призма, получает движение от микрометрического винта 5 поворотного механизма. Для определения относительного положения линий спектра в фокальной плоскости окуляра 6 зрительной трубы 7 расположен указатель с головкой. Вращая призменный столик, добиваются совмещения указателя окуляра с исследуемой спектральной линией. Отсчет её положения производится с помощью барабана 8, на котором нанесены относительные деления – градусы. Отсчет считается против индекса 9, скользящего по специальной канавке. Во время работы шкалу и индекс освещают лампочкой от источника питания 10.

2. С какой целью и как производится градуировка прибора?

Градуировка любого измерительного прибора - это установление однозначного соответствия между значениями наблюдаемой физической величины и показаниями прибора. В частности, при градуировке монохроматора, необходимо установить зависимость между длинами волн линий, наблюдаемых в хорошо изученных (эталонных) спектрах и показаниями барабана.

По работе: Для определения длин волн водорода необходимо предварительно проградуировать монохроматор, т. е. выразить показания шкалы барабана 8 в длинах волн. Для этого используется лампа с известными длинами волн спектральных линий (указаны на установке).

3. Как происходит измерение длин волн водородных линий?

Пользуясь градуировочным графиком, наносим на ось абсцисс показания шкалы и из этой точки восстанавливаем перпендикуляр до пересечения с градуировочной кривой, затем по оси ординат находим соответствующие значения длин волн серии Бальмера.

4. Вывести формулу для расчёта погрешности постоянной Ридберга.

1. Пользуясь табличным значением постоянной Ридберга, рассчитать значения длин волн серии Бальмера.

2. Рассчитать энергию ионизации атома водорода.

3. Найти энергию, частоту и длину волны фотона, излучаемого при переходе атома водорода с уровня с n = 5 на уровень с n = 1? К какой спектральной серии относится это излучение?

4. Получить формулу (1), приведённую в описании работы, пользуясь теорией Бора.