Контрольні запитання

Яке явище називається дифракцією світла?
Що таке дифракційна решітка, для чого вона призначена?
Чому дифракційна решітка розкладує світло в спектр?
Різниця ходу та різниця фаз при дифракції на дифракційній решітці.
Написати умови виникнення дифракційного максимуму інтенсивності при дифракції на дифракційній решітці.

Лабораторна робота № 11

Дослідження суцільного і лінійчатих спектрів

Мета роботи: Дослідити видиму частину спектру атому водню. Визначити сталу Ридберга.

Завдання:

Спостереження суцільного і лінійчатого спектрів.
Дослідження видимої частини спектру атому водню та визначення сталої Ридберга.

Обладнання та інструменти: спектроскоп, воднева лампа, спектральні трубки, лампа накалювання, джерело живлення ЕПС-2, кольорові олівці.

Вказівки на теоретичний матеріал:

Випромінювання і поглинання світла.
Постулати Бора.
Спектральні серії.

Теоретичні положення

Схема найпростішого спектроскопа.

Спектроско́п (від спектр й грец. σκοπέω — «дивлюся») — оптичний пристрій для візуально-го спостереження спектра випромінювання.

Використовується переважно для швидкого і якісного спектрального аналізу в хімії, металургії та інших галузях.

Спектральний аналіз — сукупність методів визначення складу (наприклад, хімічного) об'єк-та, заснований на вивченні спектрів взаємодії ма-

терії з випромінюванням: спектри електромагнітного випромінювання, радіації, акустичних хвиль, розподілу за масою та енергією елементарних частинок та інше. Спектральний аналіз грунтується на явищі дисперсії світла.

Традиційно розмежовують:

атомарний та молекулярний спектральний аналіз,
«емісійний» — за спектром випромінення та «абсорбційний» — за спектром поглинання,
«мас-спектрометричний» — за спектром мас атомарних чи молекулярних іонів.

Фізика випромінювання речовиною.

Атоми кожного хімічного елемента мають певні резонансні частоти, внаслідок чого саме на цих частотах вони випромінюють або поглинають світло. Це призводить до того, що в спектроскопі на спектрах видимі лінії (темні або світлі) в певних місцях, характерних для кожної речовини. Інтенсивність ліній залежить від кількості речовини і її стану. У кількісному спектральному аналізі визначають зміст досліджуваної речовини за відносною або абсолютною інтенсивністю ліній або смуг у спектрах.

Розкладення тригранною скляною призмою потоку білого світла на різнокольоровий спектр

Спектр видимого випромі-нювання флуорисцентної лампи. З піками 4 — тер-бію (Tb); 5 — ртуті (Hg); 12 — европію (Eu).

Якщо вузький пучок білого світла спрямувати на біч-ну грань тригранної призми, то, по-різному заломлюю-чись у склі, промені, з яких складається біле світло, да-дуть на екрані райдужну смужку, що називається спект-ром. У спектрі всі кольори розміщені завжди в певному порядку. Світло поширюється у вигляді електромагніт-них хвиль.

Кожному кольору відповідає певна довжина ефект-ромагнітної хвилі. Довжина хвилі світла зменшується від червоних променів до фіолетових приблизно від 0,7 до 0,4 мкм. За фіолетовими променями у спектрі ле-жать ультрафіолетові промені, які невидимі для ока, але діють на фотопластинку. Ще меншу довжину хвилі мають рентгенівські промені. За червоними променями знаходиться область інфрачервоних променів. Вони не-видимі, але сприймаються приймачами інфрачервоного випромінювання, наприклад спеціальними фотоплас-тинками.

Оптичний спектральний аналіз характеризується відносною простотою виконання, відсутністю складної під-готовки проб до аналізу, незначною кількістю ре-човини (10—30 мг), необхідної для аналізу на велике

число елементів. Атомарні спектри (поглинання або випуску) одержують переведен-ням речовини в пароподібний стан шляхом нагрівання проби до 1 000—10 000 °C. Як джерела збудження атомів при емісійному аналізі електропровідних матеріалів застосовують іскру, дугу змінного струму; при цьому пробу розміщають у кратері одного з вугільних електродів. Для аналізу розчинів широко використовують полум'я або плазму різних газів.

Сукупність частот (довжин хвиль), що випромінюється даною речовиною називається спектром її випромінювання, який являє собою важливу характеристику речовини. Спектр випромінювання містить в собі цінну інформацію про будову і властивості атомів і молекул речовини. Ізольовані атоми даного хімічного елементу (газ) випромінюють цілком визначену, притаманну тільки даному елементу сукупність спектральних ліній. Було знайдено, що лінії в спектрах атомів розташовані не хаотично, а об’єднуються в певні групи – серії. Найбільш простий спектр має найпростішій атом - атом водню, який складається з одного протона і одного електрона. Тільки для водню відома аналітична формула, за якою розраховуються довжини хвиль спектральних лінії, що їм випромінюються. Довжина хвилі спектральних ліній атому водню визначається за формулою Бальмера-Рітца

, (1)

де – довжина хвилі спектральної лінії; - стала Ридберга; – номер енергетичного рівня атома, на який здійснюється перехід електрона після випромінювання; – номер енергетичного рівня атома, з якого здійснюється перехід електрона після випромінювання.

Кожній спектральній серії спектра атома водню відповідає своє визначене значення . Величина приймає послідовний ряд цілих чисел в інтервалі .

У видимій частині спектру знаходиться одна серія спектральних ліній випромінювання атома водню, яка називається серією Бальмера ( ). Для серії Бальмера формула (8.1) перетворюється на вигляд: