Описание установки

Наблюдение спектральных линий и измерение их положения про­изводится на монохроматоре УМ-2 со стеклянной оптикой.

Принципиальная схема УМ-2 приведена на рис 3.2. Схема состоит из трех основных частей: коллиматора 3-5, служащего для получения параллельного пучка лучей, диспергирующей системы 7 (призмы Аббе), разлагающей немонохроматический свет в спектр и зрительной трубы 8-11 для наблюдения спектра.

Ход лучей в данной схеме следующий. Свет от источника I проходит через конденсор 2 и освещает щель 3, которая расположена в фокальной плоскости объектива коллиматора 5. Из объектива параллельный коллимированный пучок лучей направляется на диспергирующую систему 7.

Если источник испускает немонохроматический свет, то вследствие того, что волны различных длин по разному преломляются в призмах из-за дисперсии показателя преломления, произойдет разложение света на монохроматические составляющие и из системы призм выйдут параллельные пучки лучей, соответствующие волнам определенных длин Эти параллельные пучки лучей соберутся в фокальной плоскости объектива 8 зрительной трубы в виде спектрального изображения щели 3. Если источником света служит лампа низкого давления, содержащая водород ватомном состоянии, то спектральное изображение щели 3 будет иметь вид цветных полос, соответствующих атомному линейчатому спектру газа (водорода) лампы. Спектр может наблюдаться глазом через окуляр 11.

Монохроматор укреплен на рельсе, где также размещены источник света и конденсор, закрепленные на штативах.

Входная щель регулируется по ширине микрометрическим винтом. В фокальной плоскости объектива 8 зрительной трубы имеется указатель в виде треугольника. Указатель наблюдается через окуляр. Вывод спектральной линии на указатель производится поворотом диспергирующих призм 7 при помощи барабана. Указатель освещается лампочкой. Окуляр 11 может устанавливаться по глазу наблюдателя на резкость изображения указателя и спектральных линий путем вращения.

Отсчетным устройством прибора является барабан, который соединен с системой диспергирующих призм 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. При повороте барабана, на одно деление (2°) система призм поворачивается на 20" .

Сложная спектральная призма 7 состоит из 3 склеенных призм. Первые две призмы с преломляющими углами 30° изготовлены из тяжелого флинта, обладающего большой дисперсией. Промежуточная призма сделана из крона. Лучи отражаются от ее гипотенузной грани и поворачиваются на 90°. Благодаря такому устройству дисперсии призм складываются.

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

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 0,06 мм). Глаз лучше замечает слабые линии в движении, поэтому при наблюдении удобно слегка поворачивать барабан в обе стороны от среднего положения.

3.5. Порядок выполнения работы. Перед выполнением работы необходимо тщательно ознакомиться с рекомендуемой литературой, содержанием данной работы.

1. Проградуировать шкалу барабана УМ-2. Градуировка УМ-2 производится для того, чтобы выразить показания шкалы барабана в длинах волн. Для градуировки удобно применять ртутную лампу. Длины волн спектральных линий, даваемых этой лампой, с указанием их относительной яркости, приведена в таблице. Красная линия ртути в излучении лампы очень слаба.

Последовательно совмещая с указателем линии ртути от красной до фиолетовой, делать отсчеты по барабану монохроматора. Затем измерения повторить в обратном порядке – от фиолетовой до красной линии. Вычислить среднее значение отсчета для каждой спектральной линии. Результаты наблюдений и вычислений представить в виде таблицы.

Построить градуировочный график, на миллиметровой бумаге, выражающий показания шкалы барабана в длинах волн. По оси ординат откладывают углы , отсчитанные по барабану, по оси абсцисс – соответствующие длины волн .

Градуировочный график должен представлять собой плавную кривую. Эту кривую строят при помощи лекала карандашом.

2. Заменить ртутную лампу водородной трубкой. Поступая аналогично указанному выше, снять отсчеты по барабану прибора для трех наиболее ярких линий спектра атомарного водорода Н ,Н ,Н серии Бальмера. Результаты измерений занести в таблицу 3.1.

Таблица 3.1.

Длины волн,

R,м-1

me,кг

3. По градуировочному графику определить длины волн трех линий серии Бальмера. Для каждой из линий серий Бальмера, пользуясь формулой (3.2), вычислить значение постоянной Ридберга . Определить ее среднее значение <R>.

4. По среднему значению постоянной Ридберга вычислить в электронвольтах постоянную значения энергии стационарных состояний для n=1,2,3,4,5,6,7,8, а также энергию ионизации атома водорода .

5. Построить в масштабе 1 эВ/см диаграмму уровней энергии атома водорода (см. рис. 3.2.).

6. Сравнить полученное среднее значения <R>с ее теоретическим значением для легкого изотопа водорода, вычисленным по формулам (3.13) и (3.14).

7. Определить длины волн границ серий Лаймана, Бальмера и Пашена, а также соответствующие им энергии фотонов в эВ.

8. Пользуясь формулой (3.10), вычислить диаметр атома водорода в основном состоянии и в состоянии с n=100.

Литература: [7, 8, 10, 11]

Контрольные вопросы

1. Изложить законномерности атомных спектров.

2. При каких условиях возникают спектры испускания и спектры поглощения?

3. Какова связь постулатов Бора с квантовой теорией света?

4. Пояснить принципы построения диаграммы уровней энергии атома.

5. Изложить сущность процессов возбуждения и ионизации атома.

6. Связь между форулой Бальмера и правилом частот Бора.

7. Уровни энергии и спектр атома водорода.

8. Обяснить физический смысл постоянной Ридберга.

9. На чем основывеается модельное рассмотрения атома водрода?

10. Что такое изотопический сдвиг?