Деякі теоретичні відомості

Читайте также:

Лабораторна робота № 4.2

СПОСТЕРЕЖЕННЯ ЛІНІЙЧАСТИХ СПЕКТРІВ У ГАЗАХ

ЗА ДОПОМОГОЮ ГАЗОРОЗРЯДНОЇ ТРУБКИ

Мета роботи: вивчити види спектрів та їх характеристики.

Прилади та обладнання: установка “Спектр-І” (з блоком живлення), спектроскоп, розрядні трубки із досліджуваними газами (водень, гелій, криптон, неон) – 4 шт.

Деякі теоретичні відомості

Лінійчате випромінювання атома виникає внаслідок зменшення його енергії збудження. Початкова енергія Е _п, кінцева енергія Е _к та частота випромінювання n є зв’язані співвідношенням

. (1)

Довжина хвилі випромінювання

, (2)

де h =6.62×10^-34 Дж×с – стала Планка; с = 3×10⁸ м/с – швидкість світла.

При збудженні великої кількості однакових атомів статистично проявляються усі дозволені переходи і відповідна сукупність n, або l називається спектром цього атома. За спектрами атомів за допомогою теорії та інших експериментів можна побудувати енергетичну структуру атома, визначити квантові числа енергетичних рівнів.

Багато практичних і теоретичних досліджень присвячено найпростішому атому - атому водню. Ще у 1885 р. І. Бальмер виявив закономірність у видимому спектрі водню. Пізніше І. Рідберг й інші поширили ці досліди на інфрачервону та ультрафіолетову області. У
1913 р. Н. Бор розробив напівкласичну теорію атома водню і водне подібних атомів. Відповідно до цієї теорії електрон із зарядом - е та масою m обертається навколо атомного ядра із зарядом + Zе лише винятковими коловими орбітами на відстанях r_n зі швидкостями v_n за умовами

, (3)

де n =1,2,…, .

При цьому він не випромінює енергію. Приймаючи до уваги класичні співвідношення: рівність відцентрової і кулонівської сил

, (4)

кінетичну, потенціальну і повну енергію

, , , (5)

маємо

, (6)

де

(7)

- стала Рідберга.

Тут і вище

Ф/м

- електрична стала.

Підставляючи (6) в (1) і результат - у (2), знаходимо

, (8)

де к і n - цілі числа (n > к).

Для атома водню Z = 1:

к = 1; n = 2, 3, 4,... – серія Лаймана;

к = 2; n = 3, 4, 5,... – серія Бальмера;

к = 3; n = 4, 5, 6,... – серія Пашена і т.п.

Формула (8) точно відображає експериментальні дані.

Поширення співвідношення (8) на атоми з одним електроном над заповненою оболонкою включає поправки Рідберга до чисел n і к, а опис лінійчатих рентгенівських спектрів містить поправки до Z (внаслідок екранування ядра електронами).

Сучасна квантова механіка пояснює вказані вище закономірності на більш ґрунтовній основі, ніж теорія Бора.

Спектри атомів з багатьма (двома і більше) електронами понад оболонкою мають складніший вигляд. До таких атомів не може бути застосовано теорію Бора, і вони допускають лише фрагментарне пояснення.

Практично є важливим те, що спектри атомів – індивідуальні. Це можна використати для ідентифікації атома під час спектрального аналізу. Найбільш поширеними є атомно-емісійний та атомно-абсорбційний методи аналізу. У першому аналізуються спектри випромінювання, у другому - спектри поглинання.

У лабораторній роботі використовується атомно-емісійний метод. Джерелом випромінювання є скляна розрядна трубка, заповнена досліджуваним газом. Збудження атомів відбувається під дією високої напруги в умовах низького тиску газу. Приймальна трубка спектроскопа встановлюється впритул до щілини захисного корпуса розрядної трубки. Світло, що підлягає аналізу, проходить крізь приймальну трубку і потрапляє на дисперсійну призму, яка розділяє промені з різними частотами у просторі. За допомогою рухомої вихідної трубки спектроскопа можна побачити кольорові смужки - спектральні лінії.

Цю роботу виконують за допомогою спектроскопа, зображеного на рис.6.1, де 1 - окуляр; 2 - зорова труба, З - об'єктиви, 4 - коліматор, 5 - щілина, 6 - мікрометричний гвинт. Схему спектроскопа і хід променів у ньому показано на рис.6.2.

Розбіжний світловий пучок, який іде від джерела світла, розміщеного поблизу щілини коліматора, проходить крізь щілину в головному фокусі лінзи (об'єктива коліматора) і після лінзи паралельним пучком падає на грань скляної призми.

У призмі цей пучок відхиляється до основи і розкладається на складові кольорові пучки, оскільки різним частотам відповідають різні кути заломлення. Після виходу із призми ці пучки ще раз відхиляються до основи призми та йдуть в об'єктив зорової труби.

Пройшовши об'єктив, кожний пучок одноколірних променів утворює у фокальній площині об'єктива дійсне кольорове зображення щілини коліматора. З безлічі таких зображень утворюється спектр, червона ділянка якого лежить у напрямі до вершини призми, а фіолетова - до основи.

Зорову трубу на певній лінії спектра фіксують за допомогою тонкої вертикальної нитки, яку натягнуто всередині труби в тій самій площині, де утворюється спектр. Розглядаючи дійсне зображення спектра (і нитки) через окуляр, як через лупу, видно тільки частину спектра. Щоб розглянути окремі частини спектра, зорові трубу треба повертати, користуючись мікрометричним гвинтом, будова якого подібна до будови мікрометра.

Щоб можна було за розміщенням ліній у спектрі визначити в джерелі випромінювання наявність тих чи інших хімічних елементів, спектроскоп треба проградуювати. Для цього спостерігають вже відомий спектр якого-небудь світного газу. Довжину хвилі, яка відповідає кожній із спостережуваних ліній, беруть із довідника. Потім суміщають нитку зорової труби з кожною із спектральних ліній, знімають покази відлікового пристрою і будують криву. Для цього на вертикальній осі відкладають відомі довжини хвиль, а на горизонтальній — покази мікрометра, які їм відповідають (зняті під час досліду).

Після градуювання, спостерігаючи лінійчастий спектр невідомої речовини, на побудовану криву наносять покази мікрометра. Користуючись такою кривою, для кожної нової спектральної лінії можна визначити довжину хвилі, а потім з довідника можна дізнатися, спектру якого елемента належать ці лінії.

Завдання 1. Градуювання спектроскопа:

1. Ознайомтеся з будовою спектроскопа (рис.6.1).

2. Вставте трубку з гелієм у тримач приладу спектральнy трубокe і приєднайте прилад через вимикач до джерела постійного струму напругою близько 6 В. Щілину коліматора підведіть впритул до спектральної трубки й увімкніть струм.

3. Спостерігаючи через окуляр зорової труби, обертайте мікрометричний гвинт, щоб поступово побачити всі спектральні лінії гелію. Переміщенням окуляра добийтеся різкого їх зображення.

4. Мікрометричним гвинтом поверніть зорову трубу вправо так, щоб у полі зору з'явилася крайня червона спектральна лінія. Сумістіть зображення вертикальної нитки з цією лінією і запишіть покази мікрометра в таблицю. Мікрометричний гвинт має крок 1 мм, а головку його поділено на 50 рівних частин - отже, ціна поділки на головці - 0,02 мм. Цілі міліметри відлічуйте за нерухомою шкалою на циліндрі, а соті частки — за шкалою на головці гвинта.

Таблиця 1

Колір лінії	Покази мікрометра, мм	Довжина хвилі за довідником, нм
Червоний
Червоний
Жовтий
Зелений
Зелений
Голубий
Синій

5. Обертаючи мікрометричний гвинт спектроскопа, суміщувати зображення кожної спектральної лінії з чорною вертикальною лінією спектроскопа, що розташована у центрі зорового поля. Зняти покази шкали мікрометричного гвинта, враховуючи, що один повний оберт мікрометричного гвинта дорівнює 0.5 мм, ціна поділки - 0.01 мм.

6. За записами показів мікрометричного гвинта і довжинами хвиль, які відповідають цим показам, побудуйте криву. Для цього на осі абсцис відкладіть покази мікрометра, а на осі ординат — довжину світлових хвиль, взявши відповідний масштаб. Через знайдені точки проведіть плавну криву.

Завдання 2. Вимірювання довжини хвиль, які відповідають спектральним лініям пари різних газів, за побудованою кривою:

1. Вставити трубку з досліджуваним невідомим газом в установку “Спектр-І”. Направити об’єктив спектроскопа на щілину установки “Спектр-І”, крізь яку проходить випромінювання. Подати напругу, увімкнувши тумблер блока живлення.

2. Налаштовуючи спектроскоп, добитися чіткого зображення спектральних ліній.

3. Охарактеризувати інтенсивність ліній, що спостерігаються, за допомогою термінів: яскрава, середньої яскравості, слабо яскрава.

4. Вимкнути тумблер блока живлення.

5. Використовуючи таблицю довжин хвиль для водню, гелію, неону та криптону та виконавши спектральний аналіз отриманих результатів знайти невідомий газ, а за побудованою кривою відшукати покази мікрометричного гвинта для даних спектральних ліній. Відомості занести до таблицю 2.

Таблиця 2

№	Колір лінії	Газ	Довжина хвилі l, нм	Покази шкали мікрометра	Інтенсивність лінії
		невідомий









№	Колір лінії	Газ	Довжина хвилі l, нм	Покази шкали мікрометра	Інтенсивність лінії
		В
		О
		Д
		Е
		Н
		ь

8. За довжиною l _і кожної хвилі, що спостерігається у спектрі водню, знайти сталу Рідберга за формулою

де k = 2, n _і = 3, 4, 5,… (серія Бальмера).

9. Обробити результати за звичайною методикою й знайти похибку вимірювань.

10. Порівняти отримане значення сталої Рідберга з табличним й зробити висновки.

11. Знайти кванти енергій Е _і ( еВ ), що емітуються (випромінюються) у переходах n_i® k:

де h – стала Планка, с – швидкість світла.

Зробити висновок:

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Завдання для самостійної підготовки до лабораторної

Роботи

Дата добавления: 2015-12-08; просмотров: 218 | Нарушение авторских прав

mybiblioteka.su - 2015-2024 год. (0.019 сек.)