Меры безопасности

1) Лазерное излучение опасно для глаза. Не смотреть навстречу лучу!

2) Газоразрядная трубка работает под напряжением 6 кВ. Не вскрывать кожух лазера!

Контрольные вопросы

1. Изложить цель настоящей работы.

2. Дать характеристику населённостей, энергетических уровней и излучательных переходов, определение метастабильных состояний атома.

3. Сформулировать условия получения лазера на твердотельной газовой среде.

4. Описать устройство и принцип работы гелий-неонового лазера.

5. Изложить методику проводимых измерений.

Лабораторная работа №78. Изучение сериальных закономерностей в спектре атома водорода и определение постоянной Ридберга и Планка

Цель работы: исследовать с помощью универсального монохроматора УМ-2 спектр атомарного водорода в видимой области спектра: используя формулу Бальмера, определить постоянную Ридберга и по полученному ее значению вычислить постоянную Планка.

Приборы и принадлежности: универсальный монохроматор УМ-2, водородная трубка, градуировочный график монохроматор.

Теоретическое введение

В квантовой механике состояние частиц описывается волновыми функциями, которые являются решениями уравнения Шредингера.

Вид уравнения Шредингера, а следовательно, и конкретные решения его определяются потенциальной энергией частицы во внешнем силовом поле. Между электроном и ядром атома водорода действует энергия равная

и не зависит от времени.

Поэтому для атома водорода мы можем записать стационарное уравнение Шредингера

(78.1)

решением которого является волновые функции , l, m зависящие от трех целочисленных параметров (квантовых чисел m, l, n).

В уравнении (78.1) - волновая функция для электрона, m – масса, l – заряд, - постоянная Планка, W – полная энергия электрона, r – расстояние его от ядра. Собственные значения электронов W_n, соответствующие волновым функциям, определяются только значениями главного квантового числа n, совпадающего с номером энергетического состояния

(78.2)

Состояние когда n=1 называется основным, в этом состоянии атом может находится неопределенно долго. Если газ нагревается или в нем происходит электрический разряд, часть атомов, в следствие столкновений перейдет в более высокие энергетические состояния n=2,3,… (ln = бесконечности соответствует процессу ионизации атома). Среднее время жизни атома в возбужденном состоянии 10^-8с. Процесс перехода электрона в менее возбужденное состояние (с меньшим n) или в основное состояние определяется разностью энергии уровней, между которыми происходит переход

, (78.3),

где ; - длина волны испущенного фотона; - частота.

На рисунке представлен энергетический спектр атома водорода и набор всевозможных переходов в случае, когда атомы возбуждаются до состояния с n=4.

n=4

n=3

n=2

n=1

Возможные электронные переходы с уровня n=1

Рисунок 78.1

Если в формуле (78.3) поделить обе части на и записать и в явном виде, получим формулу которая описывает водородный спектр-формулу Бальмера или

(78.4),

где n – номер уровня на который переходит электрон при излучении, n = 1,2,3,…, ; - номер уровня с которого переходит электрон.

- постоянная Ридберга.

Серия спектральных линий появляющихся в спектре излучения при переходе электрона с вышележащих уровней на уровень ln=1, называется серией Лаймана. Все линии этой серии находятся в ультрафиолетовой области спектра электромагнитного излучения.

При n=2 возникает другая серия линий называемая серией Бальмера, часть линий которой (при n=3,4,5) расположена в видимой области спектра.

Группы переходов на уровни ln=3,4,5,…соответствуют сериям Пашена, Брукетти и т.д., находящимся в инфракрасной области спектра.

На рис.78.3 приведен энергетический спектр атома водорода (стрелками показаны переходы, отвечающие сериям Лаймана, Бальмера, Пашена), на рисунке 78.2 возможные линии водородного спектра вплоть до =0,7 мкм.

Порядок выполнения работы:

1) Подготовить монохроматор к измерениям.

2) Включить в сеть переменного напряжения блок питания прибора и тумблер «СЕТЬ» на его панели.

3) Включить тумблер 1 подсветки указателя длин волн и поворотным кольцом 2 окуляра настроить на резкое изображение. Указатель освещается лампочкой через сменные светофильтры в револьверной оправе 3.

4) Придвинуть водородную трубку непосредственно к входной щели монохроматора.

Литература

1 Бушманов Б. Н., Хромов Ю. А. Физика твердого тела. – М. : Высшая школа, 1971. – 224с.

2 Виноградов Ю. В. Основы электронной и полупроводниковой техники : учебник для вузов. – М. : Энергия, 1972. – 535 с.

3 Детлаф А. А., Яворский Б. М. – М. : Высшая школа, 1989. – 650 с.

4 Евграфова А. Г., Коган В. Л. Руководство к лабораторным работам по физике. – М. , 1970. – 398 с.

5 Епифанов Г. И., Физика твердого тела : учеб. пособие для вузов. – М. : Высшая школа, 1977. – 288 с.

6 Кортнев А. В., Практикум по физике : учебное пособие для втузов. – М. , 1965. – 549 с.

7 Майсова Н. Н., Практикум по курсу общей физики : учебное пособие для студентов заоч. вузов и факультетов. – 2-ое изд. , перераб. и доп. – М. , 1970. – 447 с.

8 Пасынков В. В., Полупроводниковые приборы : учебник для вузов по спец. «Полупроводники и диэлектрики». – 3-е изд. , перераб. и доп. – М. : Высшая школа, 1981. – 431 с.

9 Савельев И. В. Курс общей физики: учеб. пособие для вузов. – изд. 3 - е, перераб. – М. : Наука, 1971. – 3528 с.

10 Трофимова Т. И. Курс физики : учебное пособие для вузов. – 9-е изд., перераб. и доп. – М. : ACADEMIA, 2004. – 560 с.

11 Федотов Я. А. Основы физики полупров. Приборов : учебная пособие для вузов. – изд. 2 - е. испр. и доп. – М. : Современное радио, 1970. – 591 с.

Содержание