• 5

Работа 69. ИЗУЧЕНИЕ СПЕКТРА АТОМА ВОДОРОДА

Принадлежности: призменный монохроматор УМ-2, водородные газоразряд­ные трубки, катушка Румкорфа, ртутная лампа ПРК-4, неоновая лампа.

Положение линий в атомных спектрах может быть объяснено только на основе квантовых представлений. Квантовая механика показывает, что энергия электронов в атоме может принимать не любые, а только некоторые определенные значения, образующие дискретный набор. Состояния с различными значениями энергии называются уровнями. Спектральные линии возникают при пере­ходе электронов с одного уровня на другой (более низкий), энергия кванта равна разности энергий этих двух уровней:

hvmn = Em-En.          (1)

Здесь h — постоянная Планка, равная 6,625-Ю-27 эрг-с. Совокуп­ность линий, имеющих общий нижний уровень, составляет спек­тральную серию.

Наиболее простую картину образуют уровни атома водорода. Теория показывает, что энергия уровней водорода подчиняется

*°pMyJie (2)

где rt — целое число (главное квантовое число).

Из (1) и (2) следует, что длины волн спектральных линий атома водорода описываются формулой

(3)

где R — некоторая константа, называемая постоянной Ридберга, а т и п — целые числа.

Формула (3) известна в спектроскопии очень давно (1885 г.). Она была найдена эмпирически и получила название обобщенной

формулы Бальмера. Формула правильно описывает эксперимен­тальные значения длин волн спектральных линий водорода при R, равном 109 677,6 см-1. Поиски физического смысла этой формулы (Н. Бор, 1913 г.) привели к созданию квантовой теории атома. Квантовая механика позволяет вычислить величину постоянной Ридберга:

*           с/г3 >

где е — заряд электрона, т — его масса *), с — скорость света.

Я Z

 

Серия бальмера

•-13,6

Серая Лаймана

Рис. 226. Уровни энергии атома водорода и образова­ние спектральных линий.

 

 

 

Рис. 227. Устройство монохроматора УМ-2.

На рис. 226 изображены уровни энергии атома водорода, а стрел­ками обозначены переходы между уровнями, соответствующие спектральным линиям. Из рисунка видно, что линии в спектре водорода можно расположить по сериям; для всех линий серии значение п остается постоянным, а т может принимать любые зна­чения от т = п + 1 до оо.

В настоящей работе изучается серия Бальмера, линии которой лежат в видимой области. Для серии Бальмера п = 2. Величина т для первых четырех линий этой серии принимает значения 3, 4, 5,6. Эти линии обозначаются символами На, Hp, HY, Hg.

Описание прибора УМ-2. Для измерения длин волн спектраль­ных линий в работе используется стеклянно-призменный монохро- матор-спектрометр УМ-2, предназначенный для спектральных иссле­дований в диапазоне от 3800 до 10 ООО А. В состав прибора входят следующие основные части (рис. 227):

Строго говоря, в формулу (4) входит приведенная масса электрона в атоме водорода.

1.         Входная щель снабженная микрометрическим винтом 9, который позволяет открывать щель на нужную ширину. Обычная рабочая ширина щели равна 0,02 0,03 мм.

2.         Коллиматорный объектив 2, снабженный микрометриче­ским винтом 8. Винт позволяет смещать объектив относи­тельно щели при фокусировке спектральных линий различных цветов.

3.         Сложная спектральная призма 3, установленная на поворот­ном столике 6. Призма 3 состоит из трех склеенных призм Р1у Рг и Р3. Первые две призмы Рг и Р2 с преломляющими углами 30° изготовлены из тяжелого флинта, обладающего большой диспер­сией. Промежуточная призма Р3 сделана из крона. Лучи отра­жаются от ее гипотенузной грани и поворачиваются на 90°. Благодаря такому устройству дисперсии призм Р± и Р2 скла­дываются.

4.         Поворотный столик 6 вращается вокруг вертикальной оси при помощи микрометрического винта с отсчетным барабаном 7. На барабан нанесена винтовая дорожка с градусными делениями. Вдоль дорожки скользит указатель поворота барабана. При вра­щении барабана призма поворачивается, и в центре поля зрения появляются различные участки спектра.

5.         Зрительная труба, состоящая из объектива 4 и окуляра 5. Объектив 4 дает изображение входной щели 1 в своей фокальной плоскости. В этой плоскости расположен указатель 10. Изображе­ние рассматривается через окуляр 5.

В случае надобности окуляр может быть заменен выходной щелью, пропускающей одну из линий спектра. В этом случае при­бор служит монохроматором. В данной работе выходная щель не применяется.

6.         Массивный корпус 11, предохраняющий прибор от поврежде­ний и загрязнений.

7.         Оптическая скамья, на которой могут перемещаться рейтеры с источником света JI и конденсором /С, служащим для концентрации света на входной щели. Источник света рекомендуется располагать на расстоянии 45 см от щели, а конденсор — примерно в 13 см от источника. Для яркого освещения входной щели конденсор пере­мещают вдоль скамьи, стремясь получить на щели изображение источника света. При этом для удобства наводки на щель надевают белый колпачок с крестиком.

8.         Пульт управления, служащий для питания источников света и 'осветительной системы спектрометра. На пульте имеются гнезда для включения осветителей (3,5 В), неоновой лампы и лампы нака­ливания. Тумблеры, расположенные на основании спектрометра, позволяют включать лампочки осветителей шкал и указателя спектральных линий. Яркость освещения указателя регулируется реостатом.

Спектрометр УМ-2 относится к числу точных приборов *). Он требует бережного и аккуратного обращения.

При подготовке прибора к наблюдениям особое внимание следует обращать на тщательную фокусировку, с тем чтобы указатель 10 и спектральные линии имели четкие, ясные границы. Фокусировка производится в следующем порядке: перемещая окуляр, следует получить резкое изображение острия указателя 10. Осветив вход­ную щель прибора ртутной лампой, нужно найти спектральные линии ртути и получить их ясное изображение при помощи микро­метрического винта 8.

Для отсчета положения линии ее центр совмещают с острием указателя. Отсчет производится по делениям барабана. Для умень­шения ошибки ширину входной щели делают по возможности малой (0,02—0,03 мм по шкале микрометрического винта). Для наблюде­ния самых слабых линий в крайней фиолетовой области щель при­ходится несколько расширять (до 0,05 -г- 0,06 мм). Глаз лучше заме­чает слабые линии в движении, поэтому при наблюдении удобно слегка поворачивать барабан в обе стороны от среднего положения.

Градуировка спектрометра. Спектрометр УМ-2 нуждается в пред­варительной градуировке. Для градуировки удобно применять ртут­ную лампу ПРК-4 2). Таблица спектральных линий, даваемых этой лампой, с указанием их относительной яркости приведена в конце книги. Красная линия ртути в излучении лампы ПРК-4 очень слаба, и поэтому для градуировки прибора в красной части спектра следует пользоваться другим источником — неоновой лампой, спектр которой богат красными линиями различных оттенков. Таблица спектральных линий неона с визуальной оценкой их отно­сительной яркости также приведена в конце книги.

Градуировочную кривую следует строить в крупном масштабе на листе миллиметровой бумаги. По оси х откладываются градусные деления барабана, а по оси у — длины волн соответствующих линий. Иногда при построении графика некоторые экспериментальные точки оказываются смещенными от плавной кривой. Чаще всего такие «выбросы» свидетельствуют о неправильной расшифровке наблюдае­мой картины спектральных линий (главным образом для неона). В этом случае необходимо более внимательно сопоставить картину с таблицей и внести в градуировочный график необходимые исправ­ления.

Измерения. 1. Проградуируйте спектрометр по спектрам ртути и неона. Постройте градуировочный график.

2. Измерьте длины волн водородных линий На, Hp, HY и Нб.

г) При прецизионных измерениях длин волн и постоянной R целесообразно применять интерференционные спектрометры, обладающие существенно более высоким разрешением.

2) В нашей установке ртутная лампа питается высоким напряжением от катушки Румкорфа.

3.         Убедитесь в том, что отношение длин волн водородных линий соответствует формуле (3).

4.         Для каждой из наблюдаемых линий водорода вычислите значение постоянной Ридберга, определите ее среднее значение по всем измерениям и оцените погрешность измерения. Сравните результаты опыта с табличным значением R.

В опытах по измерению длин волн бальмеровской серии источ­ником света служит водородная трубка Н-образной формы, питае­мая от катушки Румкорфа. Наибольшая яркость спектра дости­гается в том случае, когда источником света служит торец горизон­тальной части трубки (капилляр).

Следует отметить, что в спектре водородной трубки наряду с ли­ниями атомного спектра наблюдается спектр молекулярного водо­рода х). Поэтому начинать поиск нужных линий нужно с наибо­лее интенсивной красной линии На. Вторая линия Hp — зелено-го­лубая.

В промежутке между На и Щ располагаются несколько красно- желтых и зеленых сравнительно слабых молекулярных полос.

Третья линия HY — фиолетово-синяя. Перед этой линией рас­полагаются две слабые размазанные молекулярные полосы синего цвета. Четвертая линия Нб — фиолетовая. Ее удается найти в излу­чении лишь некоторых экземпляров водородных трубок.

Авторы: 1379 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

Книги: 1908 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я