П орядок виконання роботи

1. Скласти електричне коло за схемою, наданою на рис. 3.

2. Увімкнути в коло первинної обмотки трансформатора Тр. 1 автотрансформатор (ЛАТР), амперметр, а в коло вторинної обмотки – нікелеву пластинку. Спочатку виміряти штангенциркулем довжину і ширину пластинки і визначити площу поверхні , що випромінює.

З. Увімкнути струм і, регулюючи ЛАТРом, довести пластину до розжарення. За допомогою пірометра визначити температуру пластини.

4. Записати покази амперметра і вольтметра. Визначити сталу за формулою (18). Результати вимірів і розрахунків занести до табл.1.

Таблиця 1

№

S, м2

Т, °С

Т, К

Т0, К

I, A

U, B

σ,

σср,

Δσ,

%

1

2

.

3

Т,°С

т,к

Т0,К

І,А

і),в

о, , Вт/мЧС

Вт/м^

4©

5=оуАб'х100%

5. Дослід повторити декілька разів для різних температур.

6. Кінцевий результат надати у вигляді:

7. Отримане значення сталої Стефана–Больцмана порівняти з табличним значенням, розрахованими за формулою (11).

Контрольні питання та завдання

1. Які величини є основними характеристиками теплового випромінювання?

2. Сформулюйте закони теплового випромінювання?

3. Який принцип роботи пірометра?

4. В чому полягає гіпотеза Планка?

5. Дати визначення енергетичної світності тіла.

6. Дати визначення випромінювальної здатності тіла.

7. Сформулювати закон Кирхгофа.

8. Сформулювати закон Стефана-Больцмана.

9. Сформулювати закони Віна.

10. Графічно представити вид функції Кирхгофа.

Лабораторна робота 60 Градуювання шкали спектроскопа та вимірювання довжин хвиль спектрів випромінювання газів

Прилади та обладнання: спектроскоп, спектральні трубки.

Теоретичні відомості

Випромінювання не взаємодіючих один з одним атомів складається з окремих ліній, які утворюють лінійчатий спектр. Кожна речовина має свій, характерний для неї спектр випромінювання, який дозволяє її ідентифікувати. Найбільш простою атомною системою є атом водню: поблизу ядра рухається тільки один електрон. Вперше вид спектру атома водню теоретично обґрунтував Бор. Він припустив, що для атома водню закони класичної електродинаміки в цілому вірні, тільки потребують деяких обмежень. Він запропонував постулат, який свідчить, що існують певні орбіти, знаходячись на яких електрон не випромінює і не поглинає енергію. Такі орбіти називають стаціонарними. Для стаціонарних орбіт момент імпульсу електрона кратний сталій Планка :

, (1)

де …

Тут – ціле позитивне число (головне квантове число), – радіус дозволеної орбіти, – швидкість електрона на орбіті, т –маса електрона. Це співвідношення називають умовою квантування електронних орбіт.

Бор припустив також, що випромінювання світла відбувається лише тоді, коли електрон переходить з однієї стаціонарної орбіти на іншу, з меншою енергією. Енергія кванта випромінювання дорівнює

(2)

де – енергія верхнього стану, — енергія нижнього стану.

Електрон рухається у полі атомного ядра, заряд якого Якщо , то система відповідає атому водню, при інших – воднеподібному іону, тобто атому з порядковим номером , у якого на зовнішній оболонці знаходиться тільки один валентний електрон.

Рівняння руху електрона має вигляд

(3)

де – електрична стала; – заряд електрона.

Електрон на орбіті з квантовим числом n має повну енергію

(4)

де – кінетична енергія; – потенціальна енергія електрона. З урахуванням рівнянь (1) і (3), виразу для повної енергії можна надати вигляд

(5)

В атомі водню основний стан характеризується головним числом . В цьому стані атом має найменшу енергію .

Збудження атома відбувається в тих випадках, коли електрон здобуває додаткову енергію, достатню для переходу на один із рівнів, вищий за основний. Збуджені атоми спонтанно переходять у стан з меншою енергією. Енергія звільняється при цьому переході у вигляді електромагнітного випромінювання (спостерігається спектр випромінювання). Кожна спектральна лінія виникає при переході електрона з рівня що має більшу енергію, на рівень з меншою енергією. Тоді енергія кванта випромінювання буде дорівнювати

(6)

Знайдемо частоту випромінювання:

(7)

Величина

(8)

називається сталою Рідберга. Тут – швидкість світла у вакуумі. Тоді після заміни у виразі (7) дістанемо

(9)

У розряджених газах або парах металів взаємодія між окремими атомами незначна. Тому спектри таких газів складаються з окремих спектральних ліній різних частот, які також підлягають рівнянню (9).

Частота і довжина хвилі випромінювання зв'язані співвідношенням Тоді вираз (9) перепишемо у вигляді

(10)

Формула (10) є однією з найбільш точних формул фізики.

Спектральні лінії об'єднуються в серії. Серією називається сукупність ліній, які обчислюються за формулою (10). Якщо , то при переході електрона з більш високих орбіт на орбіту з даним числом виникає певна серія ліній.

Для атома водню основними серіями являються:

– серія Лаймана (ультрафіолетова частина спектра);

– серія Бальмера (видима частина спектра);

– серія Пашена (інфрачервона частина спектра);

– серія Бреккета ;

— серія Пфунда (рис. 1).

Сучасна теорія випромінювання атома водню створена на базі квантової механіки. Для воднеподібних атомів рівняння Шредінгера має вигляд:

(11)

де – маса електрона; ; – повна енергія; – потенціальна енергія системи;

– хвильова функція, що характеризує стан системи, оператор Лапласа, ;

і мають ті ж значення, як і в теорії Бора. Однак в квантовій механіці ці значення здобуті як наслідок основних положень цієї теорії, а не внаслідок припущень.

Для якісних досліджень видимої частина спектра використовують призматичні та дифракційні спектроскопи. В цій роботі застосовується призматичний спектроскоп.

Рис. 2

Двотрубний спектроскоп складається з трьох основних частин: коліматора (щілина і лінза; щілина розміщена у фокальній площині коліматора лінзи), призми , зорової труби (рис. 2).

Коліматор дає паралельний пучок світла і має вертикальну щілину S, ширину якої можна міняти. Щілина розміщена у фокальній площині об'єктива коліматора О_к. Призма Р має кут заломлення θ. Промені, розкладені призмою, проходять крізь об'єктив оптичної труби О₂, який дає зображення спектра у фокальній площині окуляра О_З. В цій же площині знаходиться нитка, яка дає змогу візувати певні лінії спектра випромінювання. Положення оптичної лінії визначається спеціальною шкалою і мікрометричним гвинтом. Головка мікрогвинта має 50 поділок, а крок гвинта становить 0,02 мм. Відлік цілих міліметрів проводять по нерухомій шкалі на барабані.