ПОСТОЯННОЙ РИДБЕРГА

Цель работы: изучение линейчатых спектров и их закономерностей.

Задачи работы: 1. построить градуировочный график спектроскопа;

                       2. определить длины волн серии Бальмера;

                       3. рассчитать постоянную Ридберга;

4. вычислить массу электрона и радиус первой орбиты электрона в атоме водорода.

Приборы и принадлежности: спектроскоп, высокочастотный генератор, неоновая (гелиевая) и водородная разрядные трубки.

Теория метода

Для успешного выполнения данной работы Вам необходимо предварительно изучить теоретический материал, предшествующий этой работе.

Как известно, раскаленные твердые и жидкие тела, а также газы большой плотности, независимо от их состава испускают сплошные и линейчатые спектры. Полосатые спектры испускаются возбужденными молекулами газа, линейчатые – атомами. Обычно полосатые спектры испускаются не очень разряженными, а линейчатые – очень разряженными газами (или парами). Все металлы в газообразном состоянии также дают линейчатые спектры. Каждый химический элемент испускает типичный для него спектр. Для анализа спектров служат спектральные приборы.

Спектроскопом называется прибор, служащий для пространственного разделения лучей различных длин волн, причем, наблюдение полученного спектра в целом или отдельных спектральных линий производится визуально.

Оптическая схема простейшего спектроскопа дана на рисунке (1). Основной частью спектроскопа является призма Р, которая разлагает в спектр пучок параллельных лучей немонохроматического света. Левая часть прибора – коллиматорная труба – состоит из узкой щели  и линзы ; назначение коллиматора – давать параллельный пучок света, падающий на призму. Для этого щель располагается в главной фокальной плоскости линзы . Так как лучи разной длины волны отклоняются призмой на разные углы (дисперсия), то из призмы выходят параллельные пучки различных направлений. С помощью второй линзы  параллельные пучки собираются в различных точках ее фокальной плоскости.

   В результате на экране (или на фотопластинке) проектируется ряд изображений входной щели. Если источник света излучает волны всевозможных длин (например, лампочка накаливания), то все изображения входной щели в различных лучах на экране непосредственно примыкают друг к другу, т.е. получается сплошной спектр. При излучении же источником света волн лишь определенных длин (например, разрядные газовые трубки) изображения входной щели окажутся пространственно разделенными, и в результате получится линейчатый спектр.

                                                                      Ф           

Рисунок 1 - Оптическая схема простейшего спектроскопа

В фокальной плоскости линзы  в спектроскопе устанавливается окуляр для визуального наблюдения. Если в плоскости  установить щель , то сквозь нее будет проходить узкий монохроматический пучок. При вращении призмы вокруг оси, перпендикулярной плоскости чертежа, весь спектр будет смещаться в плоскости  и щель  будет выделять практически различные лучи. Такой прибор, служащий для выделения монохроматического пучка, называется монохроматором. Если изображение щели , наблюдается с помощью окуляра в виде отдельной монохроматической линии, то монохроматор превращается в спектроскоп. Поскольку в спектроскопах поворот призмы осуществляется при помощи барабана с делениями, то каждому положению барабана соответствует определенная длина волны выходящего света. Градуировочный график спектроскопа выражает зависимость между длиной волны выходящего светового пучка и делениями барабана. Цена одного деления барабана – 0,02 мм.

Порядок выполнения работы

1. Неоновую (гелиевую) трубку установить перед коллиматорной щелью так, чтобы свет при разряде шел от более узкой части трубки, где яркость наибольшая.

2. Поворачивая барабан, просматривают через окуляр весь спектр неона (гелия).

3. Последовательно совмещают с индексом линии неона (гелия) от красной до фиолетовой и делают для каждой линии отсчет по барабану спектроскопа, отмечая цвет линии.

4. Повторить измерения в обратном порядке от фиолетовой до красной линии.

5. По полученным значениям вычисляют средний отсчет по барабану для каждой спектральной линии и заносят в таблицу 1.

6. Взяв из таблиц значения длин волн для неона (гелия), строят градуировочный график на миллиметровой бумаге. По оси ординат откладывают длину волны, а по оси абсцисс – отсчет  по микровинту барабана. Масштаб следует выбрать так, чтобы график был достаточно большой и позволял четко определить длину волны с точностью до 1 нм. Градуировочный график должен представлять собой плавную кривую.

7. Устанавливают трубку с водородом против входной щели спектроскопа и получают газовый разряд в ней.

8. Наблюдая спектр водорода, зафиксировать отсчет по микровинту барабана четырех основных линий серии Бальмера. Занести показания микровинта в таблицу 2.

9. По градуировочному графику определить длины волн  соответствующих линий в спектре водорода и занести в таблицу 2.

10. Вычислить постоянную Ридберга по опытным данным для каждой линии, подставляя значения  в формулу (10).

11. Вычислить постоянную Ридберга по формуле (9) и сравнить это значение с экспериментальным.

12. По формулам (9) и (6) вычислить массу электрона и радиус первой орбиты электрона в атоме водорода.

    Таблица 1. Отсчет по барабану спектроскопа

№ опыта	Линии спектра гелия	Длина волны , нм	отсчет по микровинту барабана
1	Темно-красная	707
2	Красная (яркая)	668
3	Желтая	588
4	Светло-зеленая	502
5	Зеленая (яркая)	492
6	Темно-зеленая	471
7	Синяя (слабая)	447

Таблица 2. Длины волн  соответствующих линий в спектре водорода

№ опыта	Линии спектра неона	Длина (нм) волны	отсчет по микровинту барабана
1	Ярко-красная	640
2	Красно-оранжевая	614
3	Оранжевая	594
4	Желтая	585
5	Светло-желтая	576
6	Зеленая	540
7	Зеленая	533
8	Зеленая	503
9	Сине-зеленая	485

Таблица 3. Длины волн  соответствующих линий в спектре водорода

Линии спектра водорода	Длина волны	Квантовое число
Ярко-красная		2	3
Голубая		2	4
Синяя		2	5
Фиолетовая		2	6

Контрольные вопросы

1. Строение атома, ядра атома.

2. Что такое изотопы, радиоактивные изотопы?

3. Опыты Резерфорда по рассеянию  - частиц.

4. Постулаты Бора.

5. Вывести формулы для расчета энергии электрона, радиуса орбиты электрона в атоме водорода.

6. Спектры испускания, их виды.

7. Закономерности в атомных спектрах. Формула Бальмера.

8. Спектроскоп, его устройство и назначение.

9. Что такое спектральный анализ. Где он применяется?

Литература [ 3,6,7]

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 36