Задача 7. Тонкая структура спектральных линий натрия. (Задачи атомного практикума), страница 5

Так возникает эмиссионный линейчатыйспектр в натриевой лампе. Натриевая лампа 2 заключена в охранный металлический кожух и при помощи держателя устанавливается на оптической скамье перед входной щелью ДФС-12.Источником питания натриевой лампы служит блок 3, которыйвключается в сеть тумблером 16. Натриевая лампа включается спомощью тумблера 17.________________________________________________Рис.8. Общий вид установки: 1-двойной монохроматор ДФС-12;2-натриевая лампа ДНаС18; 3-блок питания натриевой лампы; 4автоматический потенциометр КСП-4 (самописец); 5,6-тумблерывключения самописца; 7-блок ФЭУ;8-блок питания ФЭУ (высоковольтный выпрямитель Б5-24А); 9-тумблер включения выпрямителя Б5-24А; 10-потенциометры установки величины выходногонапряжения; 11-тумблер включения высокого напряжения; 12блок питания самописца; 13-потенциометр установки нуля самописца; 14-тумблер включения блока питания самописца; 15потенциометр, регулирующий коэффициент усиления ФЭУ; 16тумблер включения блока питания натриевой лампы; 17-тумблервключения натриевой лампы.Прежде чем ознакомиться с описанием данной задачи,необходимо изучить некоторые элементы спектроскопии атома иобщие сведения о структуре энергетического спектра и спектральных линий атомов щелочных металлов, изложенные вовведении к лабораторным работам 6 и 7.Двойной монохроматор ДФС-12.

Для исследованиятонкой структуры спектральных линий атома натрия в лабораторной работе используется двойной монохроматор типа ДФС12. Его оптическая схема приведена на рис.9.Свет от натриевой лампы 1 (см.рис.9) через регулируемую входную щель 2 попадает на плоское поворотное зеркало 3.От него отраженный луч попадает на зеркальный параболический объектив 4, причем в его фокусе находится щель 2. От объектива 4 параллельный пучок света направляется на отражательную дифракционную решетку 5.Отраженный от решетки 5 свет собирается зеркальнымпараболическим объективом 6 и направляется на щель 7, которая находится в его фокусе. Пройдя щель 7, монохроматическийпучок попадает на параболический объектив 8, а от него на дифракционную решетку 9.

Далее отраженный от решетки 9 свет36371собирается параболическим зеркальным объективом 10 и направляется на поворотное зеркало 11 и на регулируемую выходную щель 12. Проекционная система 13 направляет световойпоток на фотоумножитель 14. Кроме того, выходящий монохроматический луч можно наблюдать через микроскоп 15.Рис.9. Оптическая схема двойного монохроматораДФС-12.Фотоэлектронный умножитель - линейный прибор, т.е.амплитуда сигнала с ФЭУ пропорциональна интенсивности светового потока. Однако, когда интенсивность светового потокавелика, линейность может нарушаться из-за искажения поляпространственным зарядом в области анода и последних эмиттеров ФЭУ.

Для питания ФЭУ используется высоковольтный выпрямитель Б5-24А (блок питания 8, рис.8). Сигнал с ФЭУ подается на автоматический потенциометр КСП-4 (самописец 4) длязаписи спектра и последующей ее обработки.Обе дифракционные решетки 5 и 9 (см. рис. 9) монтируются на одной подставке и поворачиваются одним электромотором. Электродвигатель соединен с решетками через коробку передач, которая позволяет получить восемь различных скоростейвращения решеток. Кроме того, при помощи специального дифференциального устройства можно вращать дифракционныерешетки вручную рукояткой 1 (см.рис.10). Скорость вращениястолика с решетками устанавливается переключателем 2.

Решетки будут вращаться с максимальной скоростью, если переключатель 2 установить на отметку "8".( Переключатель 2 можно38установить в восемь различных положений. Скорость вращениярешеток увеличивается с изменением положения переключателя от отметки "1" до "8".)Рис.10.

Общий вид двойного монохроматора ДФС-12. 1-рукояткаповорота вручную дифракционных решеток;2-переключатель скоростей вращения столика с дифракционными решетками; 3-тумблер пуска электродвигателя; 4-тумблерпереключения режима вращения (вручную, электродвигателем)столика с решетками; 5-тумблер изменения направления вращения решеток; 6-шкала длин волн; 7-входная щель ДФС-12.

8—фотоэлектронная приставка с выходной щелью и микроскопом.Рекомендуется запись различных участков спектра натриевой лампы проводить при максимальной скорости вращениярешеток. Пуск электродвигателя, вращающего решетки, осуществляется тумблером 3. Однако для того, чтобы решетки началиповорачиваться, необходимо зафиксировать рукоятку 1. Приэтом столик, на котором крепятся решетки, соединится с коробкой передач.Внимание! Скорость вращения решеток (переключатель2) устанавливается только при ВЫКЛЮЧЕННОМ электродвигателе (тумблер 3 выключен) и только при отключенном механизме поворота решеток (рукоятка 1).39Направление вращения решеток (прямое или обратное)задается тумблером 5 до момента пуска двигателя.ДФС-12-спектральный прибор достаточно высокого разрешения.

Поэтому даже при максимальной скорости вращениярешеток запись широкого участка спектра требует значительноговремени. При записи узких участков спектра решетки до началаопыта устанавливаются в требуемое положение. Для этого привыключенных тумблерах 3, 4 вручную с помощью шкива 1 поворачивают решетки на нужный угол, который контролируется пошкале 6 указателя длины волны света, попадающего от решеткина выходную щель ДФС-12 и, следовательно, на ФЭУ.

Затем,включив тумблеры 3,4 и следя за шкалой длин волн 6, записывают нужный участок спектра.Для записи спектра используется автоматический потенциометр 4 (рис.8) типа КСП-4, нуль которого устанавливаетсяпри помощи потенциометра 13 блока питания 12 (рис.8). На передней панели блока питания расположен тумблер 14 (рис.8), спомощью которого самописец включается в сеть. Высоковольтное напряжение на ФЭУ подается после включения тумблеров 9и 11 (рис.8). В окне самописца непосредственно у бумажнойленты справа расположены тумблер 5 включения механизмапротяжки бумажной ленты и тумблер 6, после включения которого сигнал ФЭУ поступает в блок управления работой пера самописца.

Величина (усиление) сигнала ФЭУ регулируется потенциометром 15.1.До начала работы в лаборатории pассчитать уровни энергииатома натpия при помощи соотношения(см.(В.1))nlRy=−n−∆ l2резкой серии3 p→5s3 p→ 6 sдиффузной серии3 p→ 4d3 p→ 5 dглавной серии3 s →3 pОпpеделить число компонент тонкой стpуктуpы каждойиз указанных линий.2.Записать тонкую структуру спектральных линий, возникающихпри указанных в п.1 переходах при помощи ДФС-12 и самописца.3.Определить величину расщепления уровней натрия при помощи полученных спектрограмм.

Установить, какими уровнями( p,d ) определяется это расщепление..a1дляатома Na , зная величину расщепления 3p уровня натрия ииспользуя соотношение (см. также формулу (В.28)):∆Ej 1 , j2=α 2 Ry  Z − a 1  4n 3 l (l + 1 )Сравнить ее с величиной поправки(см.(В.8))40.4.Определить поправку внутреннего экранирования2. Задание.Eи данных таблицы 1 (см.

Введение п.1), а также (см. формулу(В.3)) длины волн, возникающие при переходах:41.a , вычисленной по формулеa=Z −nn−∆ l3.Порядок выполнения работы.,используя данные таблицы 1 ( см. Введение ).5.Рассчитать по данным таблицы 3, где приведены величиныэнергий 3p-уровней и значения ∆ Eуровней 3p (формула (В.28)), а также величины n эффдля уровня 3 p, поj 1, j 2правки экранирования a изоэлектронного ряда (формула (В.9)),внутренние поправки экранирования aдля расщепления1(форму-ла (В.2)) для щелочноподобных ионов.нию сТаблица 3.Энергии E и мультиплетные расщепления∆E jдля 3p-уровней изоэлектронного ряда.E , см −1∆ E , см −13 2PРассчитанное значениеNaIMgIIAlIIISiIVPVSVI855371756162925004352806034807976461.Установить натриевую лампу точно перед входной щелью монохроматора ДФС-12, а затем включить ее.

Для чего:• тумблером 16 включить блок питания 3 натриевой лампы(рис.8)• затем через 1-2 мин. тумблером 17 включить лампу.В правильности положения натриевой лампы относительнощели монохроматора можно убедиться при помощи микроскопа (см.рис.10). Для этого при помощи рукоятки 1(см.рис.10). вручную повернуть дифракционные решетки натакой угол, чтобы вывести на выходную щель наиболее интенсивную линию спектра атома натрия - резонансную ли-Эксп.значение91,55232,5460,3794,61263,01890,01,j2λ = 5890 A° ,что контролируется по шкале 6 (см.рис.10). Затем, слегка перемещая натриевую лампу (по горизонтали и по вертикали) и одновременно наблюдая в микроскоп, добиться равномерной максимальной освещенностивходной щели.2.Включить ФЭУ.

Для этого:• установить при помощи потенциометров 10 (рис.8)величину выходного напряжения на выпрямителе 8, указанную в паспорте лабораторной работы;• при помощи тумблера 9 включить выпрямитель 8;• через 2-3 мин. с помощью переключателя 11 податьвысокое напряжение на ФЭУ.3.Убедившись в том, что тумблеры 3 и 4 (см. рис.10) выключены(пуск электродвигателя и переключение режима вращения решеток), включить тумблером 14 блок питания самописца 4 (см.рис.8).4.Установить переключатель скорости вращения решеток 2 наотметку "8" (см. рис.

10).ВНИМАНИЕ! Не допускается переключение скоростей привключенном электромоторе и вращающихся решетках,т.е. при включенных тумблерах 3 и 4 (см. рис. 10).42435.Вращая вручную рукоятку 1 (см. рис.10), установить на шкале 6длину волны (т.е. повернуть решетки) в положение λ , гдеiλ i = λ k ± 20 A°щения решеток), а(знакλk±11.Отметить на ленте самописца длину волны, отвечающуюмаксимальной величине сигнала. Длину волны установить поотсчетам со шкалы длин волн 6 (рис. 10).в зависимости от направления вра-одна из длин волн, подлeжащих записи.ЛИТЕРАТУРА6.Включить механизм протяжки ленты (тумблер 5) на самописце(рис.

8); подать сигнал с ФЭУ на блок управления пером самописца (тумблер 6).1.Шпольский Э.В. Атомная физика. -М.: Наука, 1983,т.II.7.Установить перо самописца вблизи левого края бумажной ленты с помощью потенциометра 13 (рис. 8).2.Гольдин Л.Л., Новикова Г.И. Введение вквантовую физику. -М.: Наука, 1988, гл.VI.8.При медленном равномерном вращении вручную (рукоятка 1,3.Матвеев А.Н. Атомная физика. -М.: Высшая школа,1989.рис.10) дифракционных решеток, подбирая для линии 5890 A°ширины входной и выходной щелей и коэффициент усилениясигнала на самописце (потенциометр 15, рис.8), добиться хорошего разрешения и оптимальной величины амплитуды сигналана самописце (сигнал не должен зашкаливать).