Задача 5. Спектр водорода. Тонкая структура головной линии серии Бальмера. (Задачи атомного практикума), страница 5

рис. 3 ) для исследуемой спектральной серии.Упражнение 2. Тонкая структура линииHaспектра водорода.1. Установить водородную лампу ТВС-15 перед входной щелью спектрографа ИСП-51. Проверить положени объективаколлиматора и камеры спектрографа ИСП-51 и угол наклона кассетной части. Все они должны стоять в тех положениях, которые указаны в паспорте установки. Следуетпомнить, что несоблюдение этого требования приводит к тому, что снимки получаются нерезкими и их невозможно обрабатывать.2.

Включить водородную лампу и одновременно с ней включитьвентилятор.33ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 93. С помощью лупы рассмотреть тонкую структуру линии Haи сравнить с рис. 7 , имеющимся в описании.4. Зарядить кассету пластинкой типа панхром и сфотографировать интерферограмму линии Ha с экспозициями указанными в паспорте установки.5. Провести обработку спектрограмм одним из методов рекомендованных в книге (3) (см.

также Приложение ).6. Рассчитать по формуле (31) тонкую структуру энергетических уровней, обуславливающих излучение Ha линииводорода. Объяснить причину того, что в условиях нашегоэксперимента линия наблюдается как дублет. Рассчитатьпо формуле (41) величину ∆ λ τрасщепления 2p уровня и сравнить с измеренной величинойИЗОТОПИЧЕСКИЙ СДВИГИзотопические эффекты. Различие ядер изотопов проявляется в их спектрах. Самый простой из изотопических эффектов эффект массы - состоит в учете движения ядра, проявляющегося в том, что во всех выражениях для энергии уровней ( а значити для длин волн спектральных линий ) фигурирует приведенная масса электрона и ядра ( см.

формулу (3) и далее):m=∆ λ.1+memem ;≈ m e  1 − eM я ( 56 )MяM я ≈ A ⋅ M p - масса ядра, A- массовое число ядра.ЛИТЕРАТУРА1.2.3.Шпольский Э.В. Атомная физика. -М.: Наука, 1974,гл.V111.Фриш С.Э. Оптические спектры атомов. - М.-Л., Физматгиз, 1963, гл. V11.Толанский С. Спектроскопия высокой разрешающей силы. -М.; ИЛ., 1955,с.154-164.Следствием этого являются небольшие отличия параметров, зависящих от массы ( энергий, размеров, и т.д. ) в атомах различных изотопов одного и того же элемента.

Порядоквеличины относительного изменения любого из этих параметров, например, энергии, очевидно, есть:δEE≈me δ M яm δ Mя 1~ e ⋅⋅⋅Mя MяM p M p A2.( 57 )Как видно , эффект массы наиболее значителен в2легких атомах; для изотопов водорода 1/A ~ 1 ; для изотопов2-4элементов конца периодической системы элементов 1/A ~ 10 ).Для разности длин волн идентичных переходов в атомах водорода и дейтерия из (1) получим выражение3435111 11−=⋅−mmλ D λ H λ ∞ 1+ e1+ eMDMH =( 58 )=me M D − M H λ H − λ D ∆ λ H D⋅=~MDλ ∞ MHλ H⋅λ Dλ 2H1здесь⋅;λ∞ - длина волны перехода в случае бесконечной массы ядра; MH , MD - массы ядер водорода и дейтерия. ПосколькуMD = 2MH, получаем окончательно:∆λ H D =m1λH e2MHдородной лампы ДВС-25, в которую, кроме водорода, добавляется некоторое количество дейтерия.

Лампа представляет собойстеклянный баллон с впаянными внутрь электродами - катодом ианодом. Анод лампы имеет небольшое круглое отверстие посредине. Отверстие служит для вывода света из области разряда. Выходное окошко лампы выполнено из увиолевого стекла,пропускающего ультрафиолетовые лучи. При включении напряжения между электродами трубки зажигается разряд. Если давление водорода и дейтерия в трубке достаточно, то в спектресвечения на фоне молекулярного спектра H2 появятся яркиелинии атомов водорода и дейтерия.

В цепь катода подается переменное напряжение 6.3 В. Лампа питается постоянным напряжением от блока питания 15 (Рис.8).( 59 )Именно эта величина и измеряется для двух линий серии→→Бальмера : Ha ( n = 3n = 2 ) и Ha ( n = 4n = 2 ).Изменение числа нейтронов в ядре изменяет его формуи объем (т.е. электрический квадрупольный момент), а такжеспин и магнитный момент ядра. В соответствии с этим измeняется и сверхтонкая структура спектральных линий.

Однаконаблюдение этих эффектов требует спектроскопа сверхвысокогоразрешения.1. Методика эксперимента и описание установки.Основными элементами установки, используемой в данной работе, являются (Рис.8):1.Водородно - дейтериевая и ртутная лампы с источниками питания.2.Спектральный прибор, дающий необходимое разрешение спектральных линий.1.1 Водородно -- дейтериевая лампа . Используемая в даннойработе водородно – дейтериевая лампа выполнена на базе во-36Рис.8 Общий вид установки.1 - спектральная лампа; 2 – входная щель камеры УФ - 85; 3 –кассетная часть камеры; 4 - зажим кассеты; 5 - шкала поворотадифракционной решетки; 6 - шторки; 7 - ручка затвора кассетнойчасти прибора; 8- ручка фокусировки изображения; 9 - маховикдля поворота дифракционной решетки; 10 - винт для перемещения кассетной чaсти; 11 - шкала; 12 - микрометрический винт дляизменения ширины щели; 13 - скоба для перемещения ламп перед щелью; 14 – юстировочный винт; 15 - блок питания; 16 тумблер включения блока питания; 17- переключатель питанияна лампы : ртутной ( положение ДРГС - 12 ) и водородной(положение ДВС - 25); 18 - тумблер включения анода; 19 - тумблер включения накала.371.2 Ртутная лампа.

Ртутная лампа типа ДРГС – 12 служит дляполучения спектра ртути, необходимого для снятия дисперсионной кривой спектрального прибора. Она представляет собой газоразрядную стеклянную трубку, наполненную парами ртути.Питание ртутной лампы аналогично питанию водородно - дейтериевой лампы. Оба источника света заключены в специальныезащитные кожухи и устанавливаются на юстировочном устройстве.Держатели ламп снабжены юстировочными винтами 14(Рис.8), с помощью которых лампы выставляются на оптическуюось спектрографа (при правильном положении лампы достигается наибольшая яркость линий спектра).

Смена ламп осуществляется перемещением каретки юстировочного устройства с помощью ручки 13.1.3 Спектральный прибор. В качестве спектрального прибораиспользуется автоколлимационная камера УФ - 85 (см.Рис.8,9) сфокусным расстоянием объектива около 1300 мм в комбинациис отражательной дифракционной решеткой, имеющей 600 штрихов на мм.сылает его на объектив . Далее параллельный пучок света попадает на отражательную дифракционную решетку .Разложенное на спектральные составляющие излучениефокусируется объективом в фокальной плоскости на фотодетектор - фотопластинку или линейку – ПЗС . Камера УФ - 85 –автоколлимационная ; расстояния от щели и от фокальнойплоскости до объектива одинаковы, поэтому они одновременно устанавливаются в фокусе объектива с помощью рукоятки 8 (Рис.8) при фокусировке.

В зависимости от угла падения лучей света на дифракционную решетку в объектив попадают различные длины волн и фокусируются им в фокальнойплоскости . Изменение угла падения осуществляется поворотомдифракционной решетки относительновертикальной оси при помощи маховика 9 "поворот решетки",выведенного сбоку кассетной части прибора (Рис.8). Угол поворота решетки контролируется по шкале 5. Рамка кассетной частиприбора 3 (Рис.8) с кассетой для пластинок или блоком линейки ПЗС перемещается в вертикальном направлении с помощьювинта 10.Задание.Рис.9 Принципиальная схема камеры УФ - 85:1 - источник света ; 2 – входная щель ; 3 - поворотная призма; 4- объектив; 5 - дифракционная решетка; 6 – фотодетектор ( фотопластинка или линейка – ПЗС ).Источник света устанавливается перед щелью камеры.

Ширинащели регулируется микрометрическим винтом 12 (Рис.8). Черезщель свет попадает на поворотную призму (Рис.9), которая по-381. Рассчитать длины волн Ha и Hβ линий серииБальмера и углы поворота решетки для их наблюдения наоптической оси камеры в первом и втором дифракционныхпорядках ( ф-ла П 1.2 ) .2. Дляреперныхспектральныхлинийртути –ooжелтый дублет ( λ1 = 5790,66 A , λ 2 = 5769,60 A ) и синийoooтриплет ( λ 1 = 4358,33 A , λ 2 = 4347,49 A , λ 3 = 4339,22 A )- рассчитать углы поворота решетки для наблюдения линийна оптической оси камеры в первом и втором дифракционных порядках .

Измерить расщепления в дублете и триплетедля определения дисперсии в первом и втором дифракционных порядках .3. Измерить изотопические дублеты Ha и Hβ линийсерии Бальмера в первом и втором дифракционных порядках.39Приложение4. Пользуясь формулой ( 59 ) вычислить величину изотопического сдвига Ha – Dα , Hβ - Dβ линий. Вычислить,пользуясь формулой ( 41 ) расстояние между компонентамитонкой структуры линии Ha . Сравнить результаты расчета сданными эксперимента.5. Пользуясь соотношениемme∆λ=2λMH,1.Особенности работы дифракционной решеткив автоколлимационной схеме .Рассмотрим отражательную дифракционную решетку спериодом d . Обозначим: угол падения на решетку α , уголдифракции β . Разность хода между лучами 1 и 2, исходящими из двух соответствующих точек соседних штрихов , образуется из отрезков АВ+АС (Рис.10.).вычислить отношение масс электрона и протона, используя экспериментально найденные значения ∆ λ и вычисленные значения ∆ λ .Сравнить результаты.Задача №9 может выполняться в различных вариантах– сиспользованием многоканальной ( ПЗС – линейка ) или фотографической регистрации спектра ; конкретное задание иинструкции по выполнению задачи – непосредственно наустановке.Рис.10.

К теории дифракционной решетки.Учитывая углыдлинах волн, имеемαиβи выражая разность хода∆ = AB + AC = d sin α + d sin β = mλ∆в(П 1.1)Если m - целое число, то колебания от каждого из элементоврешетки , отстоящих друг от друга на d будут усиливать другдруга.