Метод измерений
Из теории Бора следует, что числа k и n в формуле (23) – это номера орбит, между которыми происходит переход электрона. Полагая в формуле (23) n = 1, k = 2, 3,…– получим выражение, позволяющее рассчитать длины волн, входящих в серию Лаймана. Все линии этой серии расположены в ультрафиолетовой области спектра. Полагая n = 2, k = 3, 4,…– получаем серию Бальмера, часть линий которой находится в ультрафиолетовой области спектра, а четыре линии –в видимой части спектра. Из них числу k = 3 соответствует красная линия, которую обозначают λα, k = 4 – синяя, k = 5 – сине-фиолетовая и так далее. Эта часть спектра атома водорода изучается в эксперименте. В инфракрасной области спектра атома водорода находятся все остальные серии.
Описанные переходы электронов в атоме водорода можно показать на диаграмме энергетических состояний (рис. 17), где горизонтальные линии означают уровень энергии, а стрелки – направление электронных переходов, которые сопровождаются излучением света. Измеряя длины волн в спектре атома водорода, можно с помощью формулы (23) определить постоянную Ридберга.
Описание экспериментальной установки
Приборы, предназначенные для получения спектров и позволяющие измерять длины волн, называются спектрометрами. Исследуемы свет от источника попадает на входную щель прибора. Главной частью спектрометра (рис. 18) является призма, разлагающая свет в спектр.
Рис. 17. Диаграмма энергетических состояний атома водорода
Параллельный пучок света, направленный на призму, получают с помощью колиматорной трубы, состоящей из щели и линзы. После преломления в призме и выхода из нее лучи собираются объективом в его фокальной плоскости, где получается изображение спектра. Спектр рассматривают через окуляр. В фокальной плоскости окуляра находится неподвижная стрелка-указатель, с которой совмещают исследуемую линию спектра.
Спектрометр укреплен на оптической скамье. Ширину раскрытия входной щели можно изменять в пределах от 1 до 4 мм. Для точного регулирования ширины щели на барабанчике винта нанесены деления, цена которых 0,01 мм. В трубе колиматора помещен затвор, с помощью которого можно прекратить доступ света в прибор: движением затвора управляет рукоятка с надписью «открыто–закрыто». Призма установлена на столике с рычагом, получающим движение от микрометрического поворотного механизма. На измерительном барабане этого механизма нанесены деления – градусы поворота барабана. Отсчет делают с помощью индекса-указателя, скользящего по специальной канавке.
Подготовка установки к работе
1. На оптическую скамью поместите ртутную лампу и включите ее.
2. Проверьте, что рукоятка затвора установлена в положение «Откр».
3. Перемещая окуляр добейтесь резкого изображения стрелки-указателя.
4. Регулируя ширину щели, добейтесь того, чтобы в поле зрения прибора были видны узкие спектральные линии. Затем сфокусируйте их с помощью винта 11.
5. Вращая барабан за накатку пройдите все линии спектра ртути и убедитесь, что индекс-указатель не выходит ни за левую, ни за правую границы винтовой шкалы.
a)
б)
Рис. 18. Принципиальная схема (а) и внешний вид установки:
1 – газоразрядная лампа; 2 – входная щенль; 3 – колиматорная труба; 4 – призма; 5 – окуляр; 6 – винт для раскрытия щели; 7 – рукоятка затвора; 8 – измерительный барабан с винтовой шкалой; 9 – индекс-указатель; 10 – накатка для поворота барабана; 11 – винт для фокусировки спектральных линий