XVII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2025

Введение.

Атомные спектры – спектры поглощения и спектры испускания, возникающие при переходах между уровнями энергии свободных и слабо взаимодействующих между собой атомов. Такими спектрами обладают газы или пары не слишком большой плотности. Атомные спектры являются линейчатыми, т. е. состоят из отдельных спектральных линий, каждая соответствует переходу между двумя вполне определенными электронными уровнями энергии атома.

Атомам каждого элемента присущи свои неповторяющиеся ни в каких других атомах энергетические уровни. Поэтому спектр излучения атомов каждого элемента является характерным для него одного.

Рис.1 Серии спектральных линий излучения атома водорода.

Серия Бальмера находится в видимой области спектра атома водорода. Для данной серии характерны длины волн, удовлетворяющие следующему соотношению

(1)

где с - скорость света, mиn – начальный и конечный номер энергетического уровня, R – постоянная Ридберга.

Постоянная Ридберга является предельным значением наивысшего волнового числа любого фотона, который может быть испущен атомом водорода, с другой стороны, это волновое число фотона с наименьшей энергией, способного ионизировать атом водорода в его основном состоянии.

Цель работы:

Исследование спектров атомов водорода и ртути в видимой области. Определение постоянной Ридберга по спектру атомарного водорода.

Задачи:

1.Определить спектральные линии атомов ртути (Hg) и оценить поправку к показаниям монохроматора. Построить градуировочный график.

2. Определить спектральные линии атомов водорода (H) и рассчитать постоянную Ридберга (R).

3. Дать рекомендации по работе с измерительной установкой.

Описание экспериментальной установки.

Для исследования будет использована лабораторный комплекс МКК-3 (рис. 2), который включает в себя монохроматор МУМ-1-01, измерительную систему ИСК-2 и блок источников излучения (ртутная и водородная лампы и лампа накаливания).

Рис.2 Лабораторный комплекс МКК-3.

Ход луча от источников излучения представлен на схеме измерительной установки (рис. 3).

Рис.3 Схема измерительной установки и направление хода луча

от источников излучения.

Экспериментальная часть

1. Калибровка шкалы монохроматора.

Калибровку шкалы монохроматора будем проводить по известным спектральным линиям ртути.

На блоке измерительной системы включаем тумблер «Hg» (ртутная лампа) и даем ей прогреться в течении нескольких минут. На входе монохроматора ставим щель шириной 0,25 мм. Устанавливаем по шкале монохроматора значение длины волны зеленой линии ртути – 546,1 нм. Перемещая окуляр, фокусируем изображение в объективе, получаем спектральную линию с четкими краями. С помощью ручки монохроматора совмещаем линию с вертикальной нитью визира, наблюдая в окуляр. Затем находим и совмещаем с нитью остальные спектральные линии ртути и сравниваем отчеты по шкале с эталонными значениями длин волн.

Определяем погрешность (поправку), которую дает монохроматор по формуле

,

где λ_э – эталонная длина волны и λ_м – показания монохроматора.

Таблица 1

i	Эталонная спектральная линия λэ, нм	Показания монохроматора λм, нм	Поправка , нм
1	Нg - желтая, 579,0	581	2
2	Нg - желтая, 576,9	579	2,1
3	Нg - зеленая, 546,1	548,3	2,2
4	Нg - фиолетовая, 434,8	437,6	2,8

Построим график зависимости ) для определения поправок шкалы монохроматора.

Рис. 4. График калибровки шкалы монохроматора.

2. Определение постоянной Ридберга (по спектру атомов водорода).

На блоке измерительной системы включаем тумблер «Н» (водородная лампа), даем прогреться ей 5 мин. Ручкой на монохроматоре устанавливаем длины волн характерные для атома водорода. Каждую линию совмещаем с нитью визира и записываем показания с табло прибора. Используя график (рис.4) определяем поправки к показаниям монохроматора. Значения записываем в таблицу 2.

Таблица 2

i	λэ – эталонные длины волн спектральных линий атомов водорода , нм	n	λн – экспериментальное значение длины волны, нм		Гц
			λм	λн = λм - Δλ
1	Н - красная, 656,3	3	658,2	656,7	3,289
2	Н - синяя, 486,1	4	488,1	485,6	3,295
3	Н - фиолетовая, 434,0	5	436,2	433,4	3,296
4	Н - фиолетовая, 410,0	6	412,2	409,2	3,299

Расчетная часть:

Определим постоянную Ридберга, используя формулу (1), в которой m = 2.

= = 3,289 * Гц;

= = 3,295 * Гц;

= = 3,296 * Гц;

= = 3,299 * Гц;

= 3,295

Упрощенный учет только случайной погрешности измерений:

R= R_ср ± Δ = (3,295 ± 0,004) Гц.

Сравним полученное экспериментальное значение с теоретическим (R = 2,2898* Гц).

δR = * 100 % = * 100 % = 0,16 %.

Заключение

В ходе эксперимента определены характерные спектральные линии атомов водорода и ртути. Проведена калибровка шкалы монохроматора по спектру атомов ртути. Экспериментально получено значение постоянной Ридберга и сделана оценка погрешности ее определения. Расчетное значение очень близко к теоретическому значению, что говорит о точности приборов и измерений. Методика проведения эксперимента отработана и может быть массово использована в учебных целях.

Источники литературы

1. Суетин В. П., Суетин Д. В., Русинова Е. А. Оптика. Атомная физика: методические указания к выполнению лабораторных работ для студентов заочной формы обучения - Екатеринбург : УрГУПС, 2014. - 21 с.

2. Савельев И.В. Курс общей физики: Учеб. пособие. В 5 кн. Кн.5. Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц. - 4-е издание, перераб. - М.: Наука. 1998. - 368 с.

Код для цитирования: Скопировать