Сведения из теории. Цель работы: познакомиться с устройством монохроматора УМ-2 и использованием его для определения длины волны спектральных линий

С ПОМОЩЬЮ МОНОХРОМАТОРА УМ-2

ЛИНЕЙЧАТЫХ СПЕКТРОВ ИСПУСКАНИЯ

ИССЛЕДОВАНИЕ

Цель работы: познакомиться с устройством монохроматора УМ-2 и использованием его для определения длины волны спектральных линий.

Приборы и принадлежности: монохроматор УМ-2, конденсор, ртутная лампа с источником питания, неоновая лампа, лазер.

Тела, нагретые до достаточно высоких температур, светятся, т.е. излучают электромагнитные волны в видимой области спектра. Излучение, обусловленное нагреванием, называется тепловым. Тепловое излучение является самым распространенным в природе (все тела, имеющие температуру больше 0 К, излучают). Осуществляется тепловое излучение за счет энергии теплового движения атомов и молекул вещества.

Но свечение вещества, в частности газа, может быть вызвано и другими способами. Например, электрическим разрядом в газах при низком давлении, когда взаимодействия атомов нет, а излучение происходит за счет подводимой электрической энергии.

Пропуская излучение какого-либо тела через прибор, осуществляющий его разложение в спектр, можно судить по характеру спектра о присутствии в излучении той или иной длины волны, а также оценивать распределение энергии по участкам спектра. Спектры, полученные таким образом, называютсяспектрами испускания.

Пары и газы, находящиеся в атомарном состоянии, при нагревании или электрическом разряде дают линейчатые спектрыиспускания, состоящие из относительно узких “линий” т.е. узких частотных интервалов. Каждое вещество (газ) имеет свой, только ему присущий спектр (количество линий и их длины волн). Так, водород в видимой области спектра имеет четыре линии, ртуть - десять и т.д.

Пары, образованные из молекул (молекулярный газ), дают полосчатыйспектр: линии излучения представляют собой широкие полосы сложного строения.

Твердые тела при нагревании дают сплошной спектр с неравномерным распределением энергии по длинам волн (по частотам).

Линейчатые спектры многих газов можно разделить на группы -серии, в каждой из которых длины волн (частоты) вычисляются по одной сравнительно простой формуле. Так, швейцарский физик Бальмер показал, что частоты линий водорода видимой и ближайшей ультрафиолетовой частей спектра могут быть вычислены по формуле

, (11.1)

где R - некоторая постоянная, называемая постоянной Ридберга (R = =3,28985×10¹⁵ c^-1), а n = 3, 4, 5... Аналогичные формулы были получены и для других серий. Оказалось, что все шесть серий спектра водорода могут быть представлены одной формулой - обобщенной формулой Бальмера:

, (11.2)

где k в зависимости от серии имеет значения 1,2,3,4,...; n - целое число, принимающее значение в каждой серии, начиная с k + 1, т.е. n = k + 1, k + 2, k + 3 ,....

Закономерности положения линий в атомарных спектрах могут быть объяснены только на основе квантовых представлений, базирующихся на постулатах Бора.

1. Атомы могут длительное время находиться в так называемых стационарныхсостояниях, когда, несмотря на происходящее в них ускоренное движение электронов, атомы не излучают и не поглощают энергию. Стационарные состояния характеризуются дискретным рядом значений энергии E ₁, E ₂, ... E_к, ... E_n, ...

1.5. Стационарными являются те состояния, для которых момент импульса электрона, движущегося по круговой орбите, кратен величине h / 2 p.

L = m v r = n h / 2 p, (11.3)

где m - масса электрона; v - его скорость; r - радиус орбиты электрона; n = 1,2,3...; h - постоянная Планка.

3. Атомы излучают (поглощают) свет при переходе из одного стационарного состояния в другое. Излучение при этом переходе монохроматично, его частота определяется из условия

h n = E_n - E_k, (11.4)

где E_n и E_k - энергии атома в рассматриваемых состояниях.

Теория Бора применима и к водородоподобным атомам, состоящим из ядра с зарядом Zе и одного электрона, вращающегося вокруг него (ионы Не ⁺, Li ⁺⁺ и др.).

На основании постулатов Бора можно вычислить для атомов водорода и водородоподобных атомов следующее:

а) радиус орбиты r и скорость электрона v в стационарных состояниях:

, (11.5)

где m, e - масса и заряд электрона; Z - порядковый номер элемента в таблице Менделеева; e ₀ - электрическая поcтоянная, n = 1, 2, 3,...;

б) энергию атома:

; (11.6)

в) частоту, излучаемую атомом при переходе из состояния n в состояние k:

, (11.7)

что совпадает с эмпирической формулой (11.2), причем для Z = 1 величина

и есть постоянная Ридберга.

Формула (11.2) позволяет изобразить графически энерге­ти­чес­кие уровни атома водорода (го­ри­зонтальные линии на рис. 11.1).

Стрелками указаны пере­хо­ды атома водорода, соответ­ству­ю­щие излучению различных спек­т­раль­ных линий. Из рисунка видно, что спектральные линии, отно­ся­щи­еся к определенной серии, свя­за­ны с переходом атома на данный энер­гетический уровень с раз­лич­ных более высоких уровней.

Дата добавления: 2015-06-04