МУ - К-72 (Серия Бальмера в спектре водорода. Определение постоянной Ридберга), страница 2

Дифракционная решетка должна быть установлена нарасстоянии d ≈ 50 см от линейки и на той же высоте, что и узкая щель (отверстие) в защитномэкране спектральной лампы, а плоскость решетки должна быть параллельна линейке.При наблюдении через дифракционную решетку света, исходящего из щели (см. рис.2),можно увидеть дифракционную картину: яркий центральный максимум (дифракционноеизображение светящейся щели), а справа и слева от него - спектры первого, второго и т.д.порядков, состоящие каждый из нескольких цветных линий.8Порядок выполнения эксперимента.Задание 1. Подготовка к выполнению работы.Одна из спектральных трубок с защитным экраном должна быть укреплена на стойке доначала выполнения работы.Укрепление трубки на стойке и подсоединение ее к источнику высокогонапряжения (5кВ) выполняет инженер лаборатории.1.Расположитьдифракционную решетку и линейку относительно щелиспектральной лампы так, как описано выше и показано на рисунках 2 и 3.2.Установить регулятор 6 выходного напряжения на источнике питания ламп вкрайнее левое положение (на минимум напряжения).

С помощью сетевого шнура подключитьисточник питания3.2 к сети (220В), затем кнопкой на задней стенке источника включить его.Переключателем 7 выходного напряжения источника установить одно из трехпредельных значений, равное 5 кВ (соответствует левому или правому положениюпереключателя). Об установленном пределе говорят сигнальные лампочки.4.Постепенно увеличивать регулятором 6 выходное напряжение до тех пор, покав щели лампы ни появится свечение, после чего добавить еще 0,1 - 0,2кВ.5.Глядя на излучение через дифракционную решетку, убедиться в том, что слева исправа от центрального максимума видны,по крайней мере, по одному спектру – спектрупервого порядка. Приступить к измерениям.Задание 2.

Определение постоянной дифракционной решетки d.Для определения постоянной решетки используется спектральная лампа, наполненнаяпарами ртути. В спектре ртути отчетливо видны три линии: голубая, зеленая и желтая, длиныволн которых заданы.1)Постоянная дифракционной решетки d определяется из условия главныхмаксимумов (7):где λ - длина волны света,m - порядок спектра,d - постоянная дифракционной решетки,9- расстояние от центрального максимума (m = 0) до линии с длиной волны λ вспектре порядка m,L - расстояние между измерительной линейкой и решеткой.2)Измерить расстояние L и результат занести в таблицу 1.3)Для измерения расстояния 2l между спектральными линиями одного и того жецвета в левом и правом первом порядках необходимо располагать глаз относительно решеткитак, чтобы обе линии были видны одновременно не поворачивая головы.Установить курсорына линейке так, чтобы они совпадали, например, с желтымилиниями слева и справа, записать соответствующие координаты положения курсоров.

Найти lпо формуле l = | x2 – x1| /2, результат занести в таблицу 1.Будьте внимательны и осторожны при установлении курсоров на линейке: некасайтесь руками электродов, подводящих высокое напряжение к газоразрядной лампе.4)Измерения провести для каждой длины волны (для линий каждого цвета).5)Выключение установки: регулятором напряжения уменьшить напряжение донуля, выключить источник высокого напряжения кнопкой на его задней стороне.Спектральные лампы включаются только при полной готовности к измерениям.Спектральные лампы выключаются сразу после выполнения измерений, т.к.

срокслужбы ламп ограничен, а также возможно гашение ламп в процессе разряда.6)Используя формулу (7), для каждой длины волны рассчитать постояннуюрешетки, найти ее среднее значение.7)Рассчитать полуширину доверительного интервала Δd для доверительнойвероятности Р=0,68 по формуле распределения Стьюдента:,где- коэффициент распределения Стьюдента для n измерений и доверительнойвероятности P=0,68.8) Ответ записать в виде:«По результатам измерений постоянная дифракционной решетки равнаd= <d>±Δd = ……………….с доверительной вероятностьюпогрешностьюP=0,68 и относительной…..»Таблица 1.L=…….см10Цвет линииλ, нмжелтая578.0зеленая546.1голубая434.8X1, смX2,смl,смd, мкмЗадание 3.

Исследование спектра атома водорода: определение длин волн видимыхлиний серии Бальмера. Определение постоянной Ридберга.Вместо ртутной лампы должна быть установлена водородная лампа.1)Смену ламп выполняет инженер лаборатории или студенты переходят на другуюустановку с соответствующей лампой.Провести подготовку к выполнению работы в точном соответствии с пунктами2)Задания 1.3)Длина волны видимых линий в спектре водорода определяется из условияглавных максимумов в дифракционной картине (7):гдеλ - длина волны света,- порядок спектра,d - постоянная дифракционной решетки, определенная в задании 2.l - расстояние от центрального максимума (спектре порядка= 0) до линии с длиной волны λ в,L - расстояние между измерительной линейкой и решеткой.4)Измерить расстояниеL, результат занести в таблицу 2.5)Для измерения расстояния 2l между спектральными линиями одного и того жецвета в левом и правом первом порядках необходимо располагать глаз относительно решеткитак, чтобы обе линии были видны одновременно не поворачивая головы.Установить курсорына линейке так, чтобы они совпадали, например, с желтымилиниями слева и справа, записать соответствующие координаты положения курсоров.

Найти lпо формуле l = | x2 – x1| /2, результат занести в таблицу 2.6)Измерения провести для каждой длины волны (для линий каждого цвета).11Выключение установки: регулятором напряжения уменьшить напряжение до7)нуля, выключить источник высокого напряжения кнопкой на его задней стороне.Спектральные лампы включаются только при полной готовности к измерениям.Спектральные лампы выключаются сразу после выполнения измерений, т.к. срокслужбы ламп ограничен, а также возможно гашение ламп в процессе разряда.Рассчитать длину волны каждой линии, используя8)формулу (7), результатзанести в таблицу 2.По диаграмме энергетических уровней атома водорода (рис.1) определить9)главные квантовые числа n и m, т.е. номера стационарных энергетических уровней, междукоторыми произошел переход.Используя формулу (5), рассчитать постоянную Ридберга R для каждой длины10)волны, затем найти среднее значение этой постоянной < R >.Рассчитать энергию фотонов (в электронвольтах), излучаемых при каждом из11)рассмотренных переходов.12)Рассчитать полуширину доверительного интервала ΔR для доверительнойвероятности Р=0,68 по формуле распределения Стьюдента:,где- коэффициент распределения Стьюдента для n измерений и доверительнойвероятности P=0,68.13)Ответ записать в виде:«По результатам измерений постоянная Ридберга равнаR= <R>±ΔR = ……………….с доверительной вероятностьюпогрешностьюP=0,68 и относительной…..»Таблица 2.L=……..см,d=……………мкмEфотона,ЛинияX1,смX2, смl, смλ, нмn, mR, м-1эВ(красная)n=12m=n=(бирюзовая)m=n=(синяя)m=n=(фиолетовая)m=Задание 4.

Расчет характеристик строения и излучения атома водорода.1)Расчет энергий возбуждения видимых линий в спектре водорода,Энергия возбуждения – это энергия, которую необходимо сообщить атому водорода,чтобы перевести его из основного состояния с n=1 в состояние с номером m, при обратномпереходе из которого произойдет излучение данной линии:(8)Возбуждение атома водорода происходит при соударениях между атомами газа при егонагревании, при соударениях атома с быстрыми электронами при электрическом разряде вгазе, при поглощении атомами квантов света (фотонов) и т.д.а) начертить схему энергетических уровней атома водорода;б) стрелками обозначить на схеме переходы, соответствующие излучению линий,,в серии Бальмера;,в) стрелками обозначить на схеме переходы, соответствующие возбуждению линий,,,в серии Бальмера;г) рассчитать энергию возбуждения этих линий,,,вэлектронвольтахпо формуле (8);2) Энергия ионизации– это минимальная энергия, которую необходимо сообщитьэлектрону, находящемуся в основном состоянии, чтобы электрон покинул атом.Рассчитать энергию ионизации атома водорода.3) Энергия связи для данного состояния – это энергия, необходимая для удаленияэлектрона, находящегося в данном (основном или возбужденном) состоянии, из атома.13а) рассчитать энергию связи электрона в атоме водорода, находящегося в основномсостоянии;б) рассчитать энергию связи электрона в атоме водорода, находящегося во второмвозбужденном состоянии;4) Рассчитать боровский радиус, равный радиусу первой боровской орбиты.Отчет по Заданию 4 представить в виде схемы энергетических уровней атома5)водорода, указав на ней с помощью стрелок необходимые по заданию переходы, атакже все числовые значения величин, рассчитанных в этом задании (кроме п.4)).Контрольные вопросы и задания.1.

Сформулируйте постулаты теории атома водорода Бора.2. Получите расчетную формулу для постоянной дифракционной решетки.3. Получите расчетную формулу для длин волн видимых линий излучения водорода.4. Получите расчетную формулу для постоянной Ридберга.5. Сколько линий можно увидеть в спектре водорода, если электрон перейдет сосновного уровня на 3-ий возбужденный уровень?Литература1.Мартинсон Л.К., Смирнов Е.В.

Квантовая физика. – М.: Изд-во МГТУ им.Н.Э.Баумана. 2010.2.Иродов И.Е. Квантовая физика. Основные законы: Учеб. пособие для вузов. – М.:Лаборатория Базовых Знаний, 2001.3.Акоста В., Кован К., Грэм Б. Основы современной физики. Пер. с англ. В.В.Толмачева, В.Ф. Трифонова; Под ред. А.Н. Матвеева. - М.: Просвещение,1981.Нильс Бор (1885-1962) – родился в Копенгагене. За заслуги в изучении строения атомав 1922 году Бору была присуждена Нобелевская премия.Ридберг Ю.Р. (1854-1919) – шведский физик-спектроскопист.Бальмер И. – швейцарский физик, обнаруживший серию Бальмера в 1885 году.14.