Изучение спектра атома водорода

В настоящей работе изучаются спектральные линии серии Бальмера атома водорода, так как часть этих линий лежит в видимой области спектра: красная - H_, голубая - H_, фиолетовая - H_ . Для экспериментального определения постоянной Ридберга, необходимо измерить длины волн этих спектральных линий.

Переместите корпус источника излучения и расположите напротив входной щели монохроматора выходное окно водородной лампы. Рассмотрите спектр водорода в окуляр. При необходимости измените ширину входной щели монохроматора: линии должны быть достаточно узкими. Наряду с линиями атомарного водорода в спектре присутствуют линии молекулярного водорода, поэтому при идентификации линий серии Бальмера: красной, голубой (цвета морской волны) и фиолетовой необходимо выбирать наиболее яркие. Вращая барабан монохроматора, совместите визир окуляра с красной линией серии Бальмера. Занесите показания шкалы барабана в таблицу 2. Проведите измерения для голубой и фиолетовой линий атома водорода. Выключите водородную лампу.

Таблица 2

Спектральные линии серии Бальмера атома водорода	красная - H		голубая - H		фиолетовая - H
Квантовые числа	m =	n =	m =	n =	m =	n =
Показания шкалы барабана монохроматора
Длина волны, Ǻ

Впишите в таблицу 2 квантовые числа энергетических уровней, между которыми происходит переход с испусканием соответствующей спектральной линии. Длины волн этих линий определите из градуировочного графика.

По формуле (15) найдите величину постоянной Ридберга для каждой длины волны (в единицах см^-1). Вычислите среднее значение постоянной Ридберга и случайную погрешность , связанную с разбросом экспериментальных данных:

, (17)

. (18)

Используя в формуле (16) рассчитайте массу электрона. По формуле (9) вычислите первый боровский радиус и оцените линейные размеры атома водорода (переведите эти значения в ангстремы). Заполните таблицу 3.

Таблица 3

Постоянная Ридберга, см-1				, см-1	масса электрона, г	первый боровский радиус, Ǻ	размеры атома H, Ǻ

Сравните полученную величину первого боровского радиуса a_o с теоретическим значением =0,529 Ǻ. Рассчитайте относительную погрешность определения первого боровского радиуса:

. (19)

Порядок выполнения работы

ВНИМАНИЕ! В работе применяется ртутная лампа, являющаяся мощным источником ультрафиолетового излучения. Запрещается смотреть непосредственно на выходное окно ртутной лампы, т.к. при прямом попадании света в глаза возможен ожог сетчатки глаза.

1. Ознакомиться с устройством монохроматора, зарисовать схему установки.

2. Включить лампу и прогреть ее в течение 10 минут.

3. Установить выходное окно ртутной лампы (оно указано на верхней части корпуса лампы) напротив входной щели коллиматорной трубы монохроматора.

4. Перемещением ртутной лампы добиться максимальной яркости спектральных линий, наблюдаемых в окуляр зрительной трубы. Чтобы увидеть две желтые линии ртути с близкими длинами волн, необходимо уменьшить ширину входной щели монохроматора. Спектральные линии должны быть достаточно узкими.

5. Измерения рекомендуется проводить при перемещению по спектру от желтой к фиолетовым областям. Для получения наиболее точных измерений визир всегда должен приближаться к линии только с одной стороны, в этом случае - с правой. Вращением барабана монохроматора совместить визир окуляра с желтой линией ртути. Записать показания шкалы барабана в таблице 1.

6. Провести измерения для других линий ртути. При перемещении в фиолетовую область спектра линии становятся менее яркими (наименьшую интенсивность имеет голубая линия - 4916,0 Ǻ), поэтому рекомендуется по мере необходимости увеличивать ширину входной щели монохроматора.

7. Вернуться в красную область спектра, которая расположена до желтой области, и увеличить ширину щели. (Вы должны увидеть очень тусклую красную линию.) Подвести визир окуляра монохроматора к центру этой линии с правой стороны и записать показания шкалы барабана.

8. Заполнить таблицу 1.

9. По данным таблицы 1 построить градуировочный график - зависимость длины волны спектральных линий ртути от показаний шкалы барабана монохроматора.

10. Установить выходное окно водородной лампы напротив входной щели коллиматорной трубы монохроматора.

11. При идентификации линий серии Бальмера: красной, голубой (цвета морской волны) и фиолетовой необходимо выбирать наиболее яркие, так как в спектре присутствуют спектральные линии не только атомарного, но и молекулярного водорода. Определить по шкале барабана положение спектральных линий серии Бальмера атома водорода. Внести показания в таблицу 2.

12. Выключить источник излучения.

13. С помощью градуировочного графика найти длины волн линий H_, H_ и H_ атома водорода. Заполнить таблицу 2.

14. По формуле (15) найти величину постоянной Ридберга для каждой измеренной длины волны.

15. По формулам (17) и (18) соответственно вычислить среднее значение постоянной Ридберга и случайную погрешность .

16. По формуле (16) оценить массу электрона. Для расчетов взять среднее значение постоянной Ридберга . (Постоянная Планка - = 1,054·10^-27 эргс; скорость света в вакууме - с = 3·10¹⁰ см/с; заряд электрона – |е| = 4,8·10^-10 единиц СГС_э.)

17. Используя в формуле (9) полученное значение массы электрона, рассчитать первый боровский радиус и оценить линейные размеры атома водорода. Заполнить таблицу 3.

18. Найти относительную погрешность определения первого боровского радиуса по формуле (19).

19. Сделать вывод и оформить отчет.