Після закінчення роботи

1. Вимкнути всі електроприлади і схеми, після цього приступити до їх розбирання.

2. Привести в порядок робоче місце.

3. Здати в сховище контейнери з радіоактивними джерелами.

Лабораторна робота №1

Вивчення спектрів випромінювання та поглинання

Мета роботи: Вивчення неперервних і лінійчатих спектрів випромі­нювання та їх закономірностей.

Прилади та обладнання: Шкільний спектроскоп, низьковольтне джерело живлення (наприклад, селеновий випрямляч ВС-24М), високовольтне джерело напруги “Спектр-1”, набір газорозрядних трубок (водень, неон та інші), ртутно-кварцева лампа ПРК-2, кювета з водним розчином перманганату калію, плакат "Спектри випромінювання та поглинання.

Теоретичні відомості

Спектром називають сукупність значень тієї або іншої фізичної величини. За своїм складом вони можуть бути неперервними або дискретними. В даній роботі розглядаються оптичні спектри – сукупності значень енергії (довжин хвиль або частот) електро­магнітних хвиль діапазону, який бачить людське око.

Історично першим спектр видимого світла вивчив І.Ньютон під час спостереження явища дисперсії (розкладання) білого світла на складові. Одержана при цьому картина, яка складалась із семи основних кольорів (червоного, оранжевого, жовтого, зеленого, блакитного, синього та фіолетового), які плавно переходили один в інший, потім була названа спектром.

С постерігаються і вивчаються спектри за допомогою приладів, які називаються спектроскопами (спектрометрами). Якщо дослід­ження спектрів відбувається не тільки візуально, але й з реєстрацією його, наприклад, на фотопластинку, то прилади називаються спектрографами. Якщо реєстрація дозволяє виконувати і будь-які вимірювання фізичних величин, які характеризують спектр, то такі спектральні прилади називаються спектрометрами.

Один з найпростіших типів таких приладів – шкільний спектрометр, що складається (рис. 1) з триножного штатива, на якому закріплені наступні частини: коліматор А, зорова труба В, столик з тригранною призмою D, яка захищена

кришкою. Коліматор А, призначений для формування тонкого падаючого променя, складається з оптичної труби, в якій окуляр замінений щілиною S. Щілина поміщена в головний фокус об’єктива О₁ (рис. 2), тому промені, які проходять крізь неї, виходять з об’єктива вузьким паралель­ним пучком.

Д алі промені з об’єктива падають на передню грань призми D, в якій розкла­даються і виходять паралель­ними пучками різних кольо­рів і напрямків, в залежності від їх складу. Промені після проходження крізь призму надходять в оптичну трубу В через об’єктив О₂, який дає зображення спектра у фокальній площині лінзи О₃. Оскільки пучки паралельних променів, які виходять з призми, різних кольорів і мають різні напрямки, то у фокальній площині лінзи О₃ утворю­ється ряд паралельних зображень цих пучків (рис. 3) або набір різнокольо­рових ліній, які є кольоровими зображеннями щілини S. Ці лінії розглядаються через окуляр О₃ труби B. Для визначення відносного положення ліній спектра в окулярній трубі є візир Е (рис. 3), який за допомогою гвинта С (рис. 1) може переміщатися і суміщатися з будь-якою лінією. Барабан цього гвинта має поділки, які визначають довжину хвилі лінії.

В залежності від того, випромінюється чи поглинається матеріальними об’єктами (атомами, іонами, молекулами) світло, всі спектри поділяються на спектри випромінювання і поглинання.

А) Спектри випромінювання.

Під час спостереження в спектроскопі спектри випромінювання являють собою сукупності кольорових ліній на фоні темного поля (в тому числі й неперервний спектр у вигляді веселки). За своєю природою (походженням) спектри випромінювання розподіляються на три типи: лінійчаті (атомні), багатолінійчаті (або полосаті – молекулярні), неперервні.

Пояснення закономірностей лінійчатих спектрів може бути здійснене на основі вивчення процесів, які відбуваються в атомах речовини і описуються за допомогою постулатів Бора.

І. Електрони в атомі рухаються навколо ядра по стаціонарних орбітах, на яких вони не випромінюють електромагнітних хвиль (світла).

ІІ. Випромінювання (або поглинання) електромагнітних хвиль (світла) відбувається у вигляді кванта під час переходу електрона з однієї орбіти на іншу. Величина цього кванта дорівнює різниці енергій станів, між якими відбувається перехід, тобто

(1)

В ипромінювання кванта відбу­вається під час переходу електрона з більш високого енергетичного рівня (рівень з більшою енергією) на нижчий (рівень з меншою енергією) (рис. 4), а поглинання – під час переходу з низького на високий (рис. 5).

Кванти, які випромінюються з однаковою частотою, реєструються в спектроскопі, як одна лінія. Чим більше таких квантів, тим інтенсивніша лінія.

Таким чином, згідно теорії Бора дискретні або лінійчаті спектри спостерігаються під час переходів атомів з одного стаціонарного рівня на інший (тобто переходи електронів атома з однієї стаціонарної орбіти на іншу).

Закономірності в розташуванні ліній атомарних спектрів були виявлені раніше створення моделі атому Бора. Найкраще ці законо­мірності видно в спектрі найпростішого з атомів – атома водню.

Перш за все треба відмітити, що лінії в спектрі водню розташовані не безладно, а об’єднуються в групи, які називають серіями. На рисунку 6 представлена частина спектра атомарного водню у видимій та ультрафіолетовій областях. Символами H_, H_, H_, H_δ позначені відповідно червона (λ = 6562,8 Å), синя (λ = 4861,3 Å) і фіолетові (λ = 4340,5 Å і λ = 4101,7 Å) лінії спектра; H_∞ – границя серії.

На рис. 6 можна побачити, що лінії розташовані в певному порядку. Відстань між ними зменшується по мірі переходу від довгих до коротких хвиль. Швейцарський фізик Бальмер в 1885 р. вперше встановив, що довжини хвиль λ цієї серії ліній водню можуть бути описані формулою

, (2)

де λ_o – стала величина, n – ціле число, яке набуває значень 3;4;5;….

Цей вираз можна представити у вигляді, який частіше застосовується в сучасній оптиці:

, (3)

де R – стала, названа на честь шведського фізика постійною Рідберга.

. (4)

Для лінії спектра водню H_ n = 3, для H_ – n = 4, ....

Оскільки , тобто , то

. (5)

Величину c^-1 називають зведеною сталою Рідберга. Тоді (5) запишеться у вигляді:

. (5а)

Формули (5), (5а) і (3) як і (2) називаються формулами Бальмера (або Бальмера-Рідберга), серії ліній спектра атомарного водню – серією Бальмера.

Крім неї, в ультрафіолетовій частині спектра водню знаходиться серія Лаймана

; (6)

в інфрачервоній – серія Пашена

, (7)

серія Брекета

, (8)

серія Пфунда

. (9)

Лінії всіх серій (5)–(9) можна представити узагальненою формулою Бальмера–Рідберга

, (10)

де для серії Лаймана m = 1, Бальмера – m = 2, Пашена – m = 3, Брекета – m = 4, Пфунда – m = 5.

При заданому m число n приймає значення, починаючи з n=m+1. При частота кожної серії прямує до границі H_∞.

П ояву всіх указаних серій згідно теорії Бора можна проілюструвати на схемі, що приведена на рис. 7. Ця схема зображає енергетичні рівні в атомі водню.

Стрілками показані переходи електронів, що відповідають за виникнення серій Лаймана, Бальмера, Пашена і т.д.

Спектри випромінювання атомів дуже відрізняється від молеку­лярних спектрів. Атомарні спектри складаються з окремих (розташо­ваних на відстані одна від одної) ліній; молекулярні спектри – це смугасті спектри. В спектроскопі вони реєструються у вигляді смуг

( дуже близько розташованих одна біля одної спектральних ліній), чітких з одного краю і розмитих і другого. Чіткий край молеку­лярного спектра (рис. 8), який називається кантом, може розташову­ватися як з довгохвильової, так і з короткохвильової сторони смуги. Тонка структура смугастих спектрів, тобто те, що смуги складаються з великої кількості щільно розташованих ліній, може бути виявлена тільки за допомогою спектроскопів високої роздільної здатності.

Смуги молекулярних спектрів розташовуються в певному порядку, аналогічно тому як лінії атомарного спектра утворюють серії. Таким чином виникають групи, системи смуг. Часто окремі смуги або навіть групи смуг перекриваються, що дуже ускладнює молекулярні спектри.

Полосаті спектри набагато складніші від лінійчатих. Це обумовлено складною будовою молекул порівняно з атомами. Дійсно, навіть найпростіші молекули складаються з атомів, кожний з яких дає свої серії ліній. Оскільки атоми молекул утримуються один біля одного сильними зв’язками, то і серії ліній атомів цієї молекули повинні бути близькими одна до одної і складати молекулярні смуги.

Пояснення полосатих спектрів дає лише квантова фізика. Так, наприклад, появу канта молекулярного спектру вона пояснює згущенням ліній, обумовлених коливаннями електронів атомів (утворення електронно-коливальної смуги або канта).

Ще більш складними порівняно з атомарним і молекулярними є спектри розжарених тіл. Оскільки тепловий рух – це хаотичний рух, то внаслідок сильного нагрівання значну роль починає грати хаотичність руху частинок твердого тіла, рідини або газу. Тому енергія цих частинок може приймати будь-які значення. Таким чином і кванти світла, і їх випромінювання можуть бути різними і складають неперервний спектр – набір дуже близьких одна до одної спектральних ліній з різною довжиною хвилі (різного кольору). В природних умовах такий спектр спостерігається як веселка після дощу. Неперервний спектр випромінюють розжарені метали (наприклад, нитка лампи розжарення), Сонце, зірки і т.д.

Б) Спектри поглинання.

Якщо на шляху сонячних світлових променів, які дають неперервний спектр, помістити поглинаючу ті або інші промені

речовину, то в цьому спектрі виникають темні лінії або темні смуги. Їх розташування в спектрі відповідає місцеположенню кольорових ліній або смуг, які поглинаються в спектрі даної речовини. Розглянемо, наприклад, спектр розжареного твердого тіла, промені якого пропускають через пари натрію. Тоді на неперервному спектрі можна помітити темну лінію в жовтій частині спектра, тобто в тому місці, де в спектрі випромінювання знаходиться жовта лінія натрію.

Це явище відповідає закону Кірхгофа для поглинання світла: атоми речовини (даного елемента) поглинають ті світлові промені, які вони самі випромінюють.

Спектри розжарених тіл, які містять темні лінії або смуги, одержані внаслідок поглинання світлових хвиль тих чи інших довжин різними середовищами, називаються спектрами поглинання.

Найбільш простий дослід спостереження спектрів поглинання, який легко здійснити в шкільному фізичному кабінеті, наступний. Дві скляні пластинки, розташовані на певній відстані одна від одної, склеюють пластиліном. Вони являють собою посудину (кювету), яку наповняють розчином перманганату калію (марганцівки) і розташо­вують на шляху променів від звичайної лампи розжарення; спостерігають спектр шкільним спектроскопом, в якому можна побачити темні смуги на фоні неперервного спектру лампи розжарення. Темні смуги – це спектр поглинання світла іонами . Таке відбувається внаслідок того, що при розчинені марганцево­кислого калію у воді останній дисоціює на іоні і . Під час проходження через розчин світла від лампи розжарення іони , які утворилися, поглинають фотони певної довжини хвилі; спостерігається темний смугастий спектр поглинання – молекулярний спектр.