Московский государственный университет

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (МИИТ)

Кафедра «Физика-2»

Л. М. Касименко, Р. И. Куница

ФИЗИКА

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ 35

МОСКВА  2009

Работа 35

ИЗУЧЕНИЕ СПЕКТРОВ ПАРОВ И ГАЗОВ

С ПОМОЩЬЮ МОНОХРОМАТОРА

Цель работы. Приобретение навыков обращения со спектральными приборами и исследование спектров паров и газов.

Приборы и принадлежности: Монохроматор, неоновая лампа, таблетка сухого спирта, поваренная соль.

Введение

Спектр испускания возникает при переходе атома из более возбуждённого состояния в менее возбуждённое. Величина испущенного кванта энергии определяется разностью энергетических уровней начального и конечного состояний.

В простейшем случае (атом водорода) сказанное можно проиллюстрировать небольшим расчётом с использованием постулатов Бора и второго закона Ньютона (сила кулоновского притяжения ядром электрона сообщает ему нормальное ускорение).

Постулаты Бора

Первый постулат

Существуют стационарные состоянии, находясь в которых, атом не излучает и не поглощает энергию.

Стационарными являются такие состояния, для которых выполняется условие:

mr  n_iħ (n_i  1, 2, 3,…),

где m – масса электрона,  – скорость электрона, r – радиус его орбиты, ħ  h/(2)  1,0310^34 Дж/с – постоянная Планка.

Второй постулат

При переходе атома из состояния с энергией W_j в состояние с энергией W_i испускается или поглощается один фотон частотой _Ф, энергия которого рассчитывается по формуле

E_Ф  h_Ф  W_j  W_i.

Если W_i  W_j, происходит излучение фотона, если W_i  W_j, – поглощение фотона.

Для атома водорода уравнения, описывающие поведение электрона, имеют вид:

mr  n_iħ, (1)

. (2)

Решая систему, можно получить значения r и  на соответствующей орбите.

Полная энергия электрона:

W  W_К  W_П    . (3)

Подставив r и  из уравнений (1) – (2) в уравнение (3), получим:

W  .

Отсюда:

_Ф  .

Множитель обозначается буквойR и называется постоянной Ридберга; R  3,2910¹⁵ c^1.

Существует много методов получения линейчатых спектров испускания тел; например, методы окрашенного пламени, электрической дуги и искры, газового разряда.

Для анализа металлов, сплавов и др. проводников чаще всего используются дуговой и искровой разряды, где в качестве электродов служат сами анализируемые пробы. Дуговой разряд применяется и для анализа непроводящих веществ. В этом случае порошкообразную пробу помещают в углубление в графитовом электроде (метод испарения) или с помощью различных устройств вводят порошок в плазму дугового разряда между горизонтально расположенными графитовыми электродами.

Для изучения спектра газов используется газовый разряд при низком давлении.

Приборы, предназначенные для разложения в спектр излучения от различных источников называют, спектральными. Различают три основных типа спектральных приборов:

1. интерференционные, основанные на явлении интерференции света (интерференция света – пространственное перераспределение энергии светового излучения при наложении когерентных световых волн).

2. дифракционные, основанные на явлении дифракции света (дифракция света (в узком смысле слова) – явление огибания светом непрозрачных препятствий, соизмеримых с длиной волны);

1. призменные.

В данной работе используются призменные монохроматоры, действие которых основано на явлении дисперсии.

Дисперсия света – совокупность оптических явлений, обусловленных зависимостью показателя преломленияn от длины волны  (или от частоты ). В большинстве оптических материалов в видимом диапазоне n уменьшается с ростом  (нормальная дисперсия) – см. рис. 1.

Простейшим проявлением дисперсии света является разложение белого света в спектр с помощью призмы (рис. 2).

Так как  (гдеn₁ – показатель преломления стекла, а n₂  1 – показатель преломления воздуха), то

sin  n₁ sin i. (4)

Известно, что _КР  _Ф, следовательно, (рис. 1)

n_КР  n_Ф. (5)

Из уравнения (1), с использованием неравенства (2), вытекают соотношения:

sin_КР  sin_Ф, то есть _КР  _Ф.