Задача 9. Спектр водорода. Изотопический сдвиг двух первых линий серий Бальмера водорода и дейтерия. (Задачи атомного практикума), страница 4

Если источником излучения являются атомы ( молекулы ) , совершающиебеспорядочное тепловое движение , то скорости атомов изотропно распределены в пространстве , что , согласно (51) ,приводит к симметричному , так называемому доплеровскомууширению линии . Согласно строгому расчету доплеровскаяширина линии ∆ λ D равна∆ λ D=2λ o  2kTln 2 c  M1/ 2,( 52 )где T- температура газа , k - постоянная Больцмана , M - массаoизлучающих атомов. Из (52) следует , что при T ~ 300 K допoлеровская шириналинии Ha водорода равна 0,08 A , т.е.значительно больше естественной ширины линии , но близкак расстоянию ∆ λ между компонентами тонкой структурыHaлинии необходимо , чтобы температура газоразрядного источника излучения была невысокой.Помимо этого , линии могут уширяться в результатевзаимодействия атомов друг с другом .

Если за время жизнивозбужденного состояния атом успевает столкнуться с другиматомом , то энергия его возбужденного состояния в результате столкновения незначительно изменится ( частично переходит в кинетическую энергию атома ) . Это, с учетом большогочисла беспорядочно сталкивающихся в источнике света атомов , приводит к уширению линии излучения , которое получило название ударного уширения . Расчет величины ударногоуширения линии ∆ λ y приводит к выражениюлинии . Поэтому при исследовании тонкой структурыHaλ2Nσ vc;( 53 )здесь v - тепловая скорость ; σ - эффективное сечение атома ;N - число атомов в единице объема ; так что N σ v - частота столкновений .

Таким образом , ударное уширение линиирастёт при увеличении плотности газа .Из (52) следует , что величина доплеровского уширениялинии приблизительно равна∆λD ≈λvc.( 54 )Из (53) и (54) получим , что отношение доплеровскойширины к ударной ширине приблизительно равно∆λD∆λy≈Lλ;L=1Nσ;здесь L - длина свободного пробега атомов в источнике излучения . Из (55) видно , что доплеровское уширение будетзаметно больше ударного уширения при условии L >> λ .Доплеровское же уширение линии пропорционально тепловой скорости атомов источника излучения , т.е.26( 55 )27T .Следовательно , для того , чтобы уверенно наблюдатьтонкую структуру H линии водорода , неоходимо , чтобытемпература и плотность частиц в источнике излучения былиo-3-2невелики : T ~ 300 K , L ~ 10 -10 см.Описание установки.Основнымиэлементами установкидля наблюденияспек-тральной серии Бальмера и тонкой структуры линии Ha атома водорода являются:1.

Водородная лампа ТВС-15 с источником питания;2. Монохроматор специальный дифракционный МСД-1для исследования спектра ;3. Спектральный прибор, дающий необходимое разрешение тонкой структуры Ha линии ( ИСП-51 с эталоном Фабри-Перо ). Общий вид установки и расположение приборов изображены на Рис.5.1.Водородная лампа ТВС-15Используемая в установке водородная лампа ТВС-15представляет собой две стеклянные трубки, соединенные капилляром диаметром в несколько миллиметров (Рис.

6).В торцы трубок впаяны электроды. Лампа заполнена−2водородом при давлении 10мм рт.ст. Тлеющий электрический разряд в водороде возникает между холодными электродами трубки через капилляр, что обеспечивает высокуюплотность тока, и, следовательно, повышенную интенсивность свечения. В разряде молекулы водорода диссоциируютна атомарный водород, создающий в капилляре яркое красное свечение. Для работы трубки требуется переменное напряжение ≅ 1500 B , рабочий ток ≅ 10 mA. Лампа вместе свентилятором крепится на юстировочном столике и заключена в защитный кожух.

При помощи юстировочного столикалампа выставляется на оптическую ось спектрального прибора. Для того, чтобы лампа при работе не перегревалась,необходимо при ее включении одновременно включитьвентилятор.28Рис.5 Общий вид установки иоптическая схема приборов .Рис. 6. Водородная лампа ТВС – 15.292.Монохроматор специальный дифракционный МСД-1Монохроматор состоит из оптико-механического блока иблока управления .Выделение монохроматического излучения из излучения сложного спектрального состава в диапазоне длин волн от200 до 800 нм осуществляется оптико-механическим блоком.Проходящее через входную щель (Рис. 5) излучение направляется сферическим зеркалом на реплику дифракционнойрешетки .

Разложенное в спектр излучение направляется решеткой в плоскость выходной щели, где строятся монохроматические изображения входной щели.Выходная щель выделяет из полученного спектра монохроматическое излучение. Длина волны выделяемого монохроматором излучения устанавливается путем поворота дифракционной решетки с помощью синусного механизма.Разделение дифракционных порядков в видимой области осуществляется абсорбционными светофильтрами навходе.На торцевых стенках оптико-механического блока расположены входная и выходная щели. Диапазон раскрытия щелейот 0 до 3 мм.

Изменение ширины щелей производится вращением микрометрических винтов соответствующих барабанов,расположенных на лицевой стенке блока.На входной щели расположено кольцо с указателем.Установка абсорбционных светофильтров производится совмещением указателя на кольце с соответствующим обозначением типа светофильтра на стенке корпуса. Среднее положение - без светофильтра.Блок управления монохроматора МСД-1 вращает дифракционную решетку с одновременным определением длиныволны монохроматического излучения на выходной щели.

Приэтом поворот дифракционной решетки может осуществлятьсяв непрерывном режиме, с различными скоростями и в шаговом режиме с шагом 0,1 нм; шаговый режим удобен для более точного определения длины волны монохроматическогоизлучения.Первым режимом работы монохроматора после включения является установка длины волны. Перевод монохроматора в этот режим осуществляется нажатием кнопки «УстановкаL = 200нм » на передней панели. Индикация режима уста-30новки исходной длины волны производится цифровыми индикаторами ДЛИНА ВОЛНЫ, нм, на которых на время этого режима загорается слово ПОДГ.

Только после окончания режимаустановки исходной длины волны показания цифровых индикаторов ДЛИНА ВОЛНЫ, нм соответствуют длине волнына выходе монохроматора.Кнопками « λи «λ→ 200 »→ 800 » выбирают не-обходимое направление сканирования спектра.Кнопкой « 0,1 нм » производится перестройка длиныволны на выходе монохроматора на « 0,1 нм » в выбранномнаправлении. Длину волны на выходе монохроматора контролируют по цифровым индикаторам «ДЛИНА ВОЛНЫ » нм.Кнопками « 5 », « 10 », « 20 » устанавливают необходимую скорость сканирования ( нм/с ) в непрерывном режиме.При нажатии кнопки загорается соответствующий световой индикатор.Кнопкой « ПУСК » осуществляется запуск режима непрерывного сканирования с выбранной скоростью и в заданномнаправлении.

Кнопкой « СТОП » производится остановка режима непрерывного сканирования.При длине волны на выходе монохроматора меньше200 нм или больше 800 нм происходит автоматическая остановка работы монохроматора. Для продолжения работы необходимо нажать кнопку « СТОП », изменить направление сканирования на противоположное и нажать кнопку «ПУСК ». Скорость сканирования при этом не изменится.3.Спектральный приборПоскольку, как отмечали выше, расстояние∆λмеж-ду компонентами тонкой структуры Ha линии водорода мало,для ее наблюдения в установке применен прибор высокой разрешающей силы - интерферометр Фабри-Перо ( расстояниемежду пластинками 0,6 см ).

Интерферометр установлен между объективом коллиматора и призмами спектрографа ИСП51 (см. Рис. 5), который используется для грубой монохроматизации излучения источника света. Дисперсии спектрографа иинтерферометра скрещены - спектрограф развертывает излучение в спектр в горизонтальном направлении, а интерферометр - в вертикальном. Поэтому в фокальной плоскости31спектрографа видны слегка искривленные вертикальные полоски, соответствующие спектральным линиям излученияисточника света.Интерферометр разбивает каждую полоску на участки,соответствующие различным порядкам интерференции (см.Рис.7) - различным кольцам интерферометра.

Каждый порядокрасщеплен на компоненты в соответствии с тонкой структуройспектральной линии.В нашем случае (вопреки истинной тонкой структуре Haлинии) каждая ступенька расщеплена на две компоненты, т.е.в условиях нашего экспериментася как дублет.Haлиния наблюдает-В фокальной плоскости эталона Фабри-Перо должна наблюдаться система интерференционных концентрических колец.Щель спектрографа вырезает из этой системы колец узкую полоску – сечение интерференционной картины по её диаметру.Задача №5 может выполняться в различных вариантах – с использованием ручного или автоматическогосканирования серии Бальмера; конкретное задание и инструкции по выполнению задачи – непосредственно на установке.32Порядок выполнения лабораторной работыЗадание.Упражнение 1. Исследование спектральной серии Бальмера.1.

Установить водородную лампу ТВС-15 перед входной щелью монохроматора.2. Включить вентилятор лампы , затем включить блок питания лампы.3. Включить блок питания ФЭУ.4. Включить блок управления МСД-1.5. В непрерывном режиме работы при наименьшей скоростисканирования оценить, при каких длинах волн появятся сигналы на вольтметре В 7-38, соответствующие регистрируемым ФЭУ длинам волн. Для более точного определениядлины волны в точке максимального значения сигнала сФЭУ использовать шаговый режим.