Мета роботи. Вивчення серіальних закономірностей в спектрі випромінювання водню і визначення сталої Планка

Лабораторна робота №44

Вивчення серіальних закономірностей в спектрі випромінювання водню і визначення сталої Планка

Експериментально дослідити видиму частину спектра випромінювання атомів водню, за результатами вимірювань розрахувати сталу Планка

Для виконання лабораторної роботи студенту попередньо необхідно: знати серіальні закономірності формування спектра випромінювання атома водню та вміти їх пояснити

за теорією Бора (§4.1)

Прилади і матеріали

Монохроматор типу УМ–2, неонова лампочка, прилад СПЕКТР–1

Теоретичний відомості і опис установки

Як відомо спектр кожного газу складається з окремих спектральних ліній або груп (серій) близько розташованих ліній. Найбільш вивченим є спектр атома водню. Частоти випромінювання атома водню можна описати узагальненою формулою Бальмера у вигляді (4.4):

, (1)

де - частота випромінювання атома водню при його переході з -го енергетичного рівня на -й енергетичний рівень; - стала Рідберга; і - цілі числа (, а набуває значень

і т.д.).

Стала Рідберга у формулі (1) визначається співвідношенням (4.7) (див. §4.1)

, (2)

де - порядковий номер атома водню ( =1); m= 9,11·10^{-31 кг} – маса електрона; е =1,6·10^-19 Кл – заряд електрона; =8,85·10^-12 Ф/м – електрична стала; с= 3·10⁸ м/с – швидкість світла у вакуумі; - стала Планка.

Кожному значенню в (1) відповідає серія спектральних ліній. Для видимої частини спектра атома водню =2.

Формулу (1) з урахуванням (2) можна записати таким чином:

. (3)

Виражаючи частоту випромінювання через довжину хвилі з (3) одержуємо вираз для визначення сталої Планка:

. (4)

З врахуванням того, що для атома водню =1 вираз (4) перепишемо у вигляді

. (5)

Перехід атомів газу із основного стану в збуджений легко здійснити за допомогою електричного розряду в розрідженому газі. Перехід атомів із збудженого стану в основний проходить спонтанно (самовільно) з випромінюванням ліній усіх серій.

В даній лабораторній роботі визначають наступні лінії в спектрі випромінювання водню, які лежать у видимій частині спектру і становлять 400-600 нм:

· червону лінію , ( = 3);

· зелено-голубу лінію , ( = 4);

· фіолетово − синю лінію , ( = 5);

· фіолетову лінію , ( = 6).

Експериментальна установка зібрана на основі монохроматора УМ–2, який використовується як спектроскоп. Оптична схема установки наведена на рис. 1.

Рис. 1

1 − воднева газорозрядна трубка; 2 − блок живлення трубки; 3 – збиральна лінза; 4 − вхідна щілина;

5 − об’єктив коліматора; 6 − дисперсійна призма; 7 − об’єктив зорової труби; 8 − візир; 9 − окуляр;

10 – захисний кожух неонової лампочки; 11 - неонова лампочка.

На вхідну щілину 4 монохроматора направляють світло від неонової лампочки 11 в кожусі 10 або газорозрядної водневої трубки 1 пристрою СПЕКТР –1.

Загальний вигляд установки зображений на рис. 2.

Рис. 2

1 - монохроматор; 2- воднева газорозрядна трубка в захисному кожусі; 3 - блок живлення трубки;

4 - неонова лампочка в захисному кожусі; 5 - барабан довжин хвиль монохроматора;

6 і 7 - регулювальні гвинти окуляра монохроматора; 8 - окуляр.

Послідовність виконання роботи

ЗАВДАННЯ 1. Градуювання монохроматора

Для цього (див.рис.2):

1. Розмістити близько до вхідної щілини монохроматора 1 неонову лампочку 4, яка розміщена в захисному кожусі, і увімкнути її в мережу 220 В.

2. Встановити ширину вхідної щілину монохроматора ~ 0,22 мм.

3. Досягнути чітке зображення спектральних ліній в окулярі 8 монохроматора за допомогою

регулювальних гвинтів 6 та 7, а оптимальну ширину спектральних ліній – незначним регулюванням ширини вхідної щілини монохроматора.

4. Плавно обертаючи барабан 5 довжин хвиль монохроматора, суміщати з візиром монохроматора видимі в окуляр 8 спектральні лінії випромінювання неону та встановлювати відповідність між значеннями і відносними поділками шкали барабана довжин хвиль (для спектру випромінювання неону значення l вказані на робочому місці).

5. Результати вимірювань записати в таблицю 1.

6. Вимкнути з мережі 220 В неонову лампочку і зняти її з оптичної лави.

7. Побудувати графік залежності (графік градуювання монохроматора), відкладаючи по осі Х відносні поділки шкали барабана 5 довжин хвиль, а по осі Y − довжини хвиль відповідних ліній.

l, Å
n, відн. од.

Таблиця 1

ЗАВДАННЯ 2. Визначення довжин хвиль спектральних ліній випромінювання атомів

водню та сталої Планка

1. Розмістити на місці неонової лампочки прилад СПЕКТР – 1.

2. Увімкнути прилад СПЕКТР–1 в мережу 220 В і встановити перемикач на ньому в положення “H₂”.

3. Переміщаючи окуляр 8 зорової труби монохроматора 1 за допомогою регулювальних гвинтів 6 і 7 добитися чіткого зображення ліній випромінювання атомів водню в окулярі.

4. Дивлячись в окуляр монохроматора, встановлювати почергово поворотом барабана 5 довжин хвиль спектральні лінії випромінювання водню навпроти візира монохроматора і проводити відліки, що відповідають цим лініям, за шкалою барабана монохроматора. Візуальний пошук ліній необхідно починати з найбільш інтенсивної червоної лінії. Одержані результати записати в таблицю 2.

УВАГА! В спектрі водневої трубки поряд з лініями атомного спектру спостерігається спектр молекулярного водню.

Таблиця 2

Колір і індекс лінії	n, відн.од.	λ, нм	Квантові числа	h·10^34, Дж·с	Δ h·10^34, Дж·с	δh, 100%
n	k
Яскраво−червона, Ha
Зелено−голуба, Hb
Фіолетово−синя, Hg.
Фіолетова,
Сер.	хххх	хххх	хххх	хххх

5. Користуючись кривою градуювання монохроматора визначити довжини хвиль кожної з ліній випромінювання водню.

6. Розрахувати за формулою (5) сталу Планка, використовуючи довжини хвиль ліній випромінювання водню: , , і .

7. Дані, які одержані в п.п. 5−6, записати в таблицю 2.

8. Проаналізуйте одержані результати і зробіть висновки.

Контрольні запитання

1. Які серії випромінювання, крім серії Бальмера, ще має спектр випромінювання атом водню?
2. Який фізичний зміст мають квантові числа і у формулі (1)?
3. Сформулюйте постулати Бора. Як з їх допомогою пояснити лінійчатий характер спектру випромінювання атома водню?
4. Які фізичні величини необхідно знати для того, щоб розрахувати постійну Планка в даній роботі?
5. Знайдіть частоту обертання електрона в атомі водню.
6. Виведіть формулу, яка визначає повну енергію електрона в атомі водню.

Дата добавления: 2015-06-04