2015-06-28
1252
Для измерения длин волн спектральных линий в данной работе используется стеклянно – призменный монохроматор-спектрометр УМ-2, предназначенный для спектральных исследований в диапазоне от 0,38 до 1,00 мкм. В состав прибора входят следующие основные части:
Входная щель 1, снабженная микрометрическим винтом 9, который позволяет открывать щель на нужную ширину. Обычная рабочая ширина щели равна 0,02-0,03 мм.
Коллиматорный объектив 2, снабженный микрометрическим винтом 8. Винт позволяет сме-щать объектив относительно щели при фокусировке спектральных линий различных цветов.
Сложная спектральная призма 3, установленная на поворотном столике 6. Призма состоит из трех склеенных призм 
и 
Первые две призмы с преломляющими углами 
изготовлены из тяжелого флинта, обладающего большой дисперсией. Промежуточная призма сделана из крона. Лучи отражаются от ее гипотенузой грани и поворачиваются на 
. Благодаря такому устройству дисперсии призм складываются. Повторный столик 6 вращается вокруг вертикальной оси при помощи микрометрического винта 7 с отсчетным барабаном. На барабан нанесена винтовая дорожка с градусными делениями. Вдоль дорожки скользит указатель поворота барабана. При вращении барабана призма поворачивается, и в центре поля появляются различные участки спектра.
Зрительная труба, состоящая из объектива 4 и окуляра 5. Объектив 4 дает изображение входной щели 1 в своей фокальной плоскости. В этой плоскости расположен указатель 10. Изображение рассматривается через окуляр 5.
В случае надобности окуляр может быть заменен выходной щелью, пропускаю-щей одну из линий спектра. В этом случае прибор служит монохроматором. В данной работе выходная щель не применяется.
Массивный корпус 11, предохраняющий прибор от повреждений и загрязнений.
Спектрометр УМ-2 относится к числу точных приборов. Он требует бережного и аккуратного обращения.
При подготовке прибора к наблюдениям особое внимание следует обращать на тщательную фокусировку, с тем чтобы указатель 10 и спектральные линии имели четкие, ясные границы. Фокусировка производится в следующем порядке: перемещая окуляр, следует получить резкое изображение острия указателя 10. осветив входную щель прибора неоновой лампой, нужно найти спектральные линии неона и получить их ясное изображение при помощи микрометрического винта 8.
Для отсчета положения спектральной 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 полезно слегка проворачивать барабан в обе стороны от среднего положения.
Порядок выполнения работы:
Задание 1. Градуировка шкалы монохроматора.
1. Установить неоновую лампу перед входной щелью УМ-2. Включить лампу в сеть. Передвигая источник света, добиться равномерного освещения щели монохроматора.
2. Повернуть ручку регулировки выходного напряжения источника питания влево до упора. Включить источник питания в сеть.
3. Установить барабан монохроматора на деление 2750; при этом должна наблюдаться красные линии спектра. При правильном положении источника света линии должны быть яркими и ровными. Включить лампы, освещающие шкалы и указатель монохроматора.
4. Последовательно совмещая с указателем монохроматора каждую линию неона (от красной до зеленой), делать отсчеты по барабану монохроматора. Затем измерения повторить в обратном порядке (от зеленой до красной спектральной линии). Вычислить среднее значение отсчета для каждой спектральной линии. Результаты наблюдений и вычислений
занести в таблицу 1:
| № линии | Яркость | N1 отсчет по барабану | N2 отсчет по барабану | <N> среднее значение | λ, нм |
Длины волн, соответствующие спектральным линиям неона, приведены в таблице 2:
| Окраска линии | Относит. яркость | Длина волны (нм) | Окраска линии | Относит. яркость | Длина волны (нм) |
| Красная | 671,70 667,83 659,89 653,29 650,85 | Красно - оранжевая | 609,62 607,43 603,00 | ||
| Желтая | 588,19 587,25 576,44 | ||||
| Ярко - красная | 640,2 638,0 633,4 630,8 626,5 621,3 616,36 | Зеленая | 540,06 534,11 533,08 503,13 | ||
| Красно - оранжевая | 614,31 | Голубая | 482,73 |
5. После окончания измерений выключить источник питания и неоновую лампу.
6. Построить градуировочный график, выражающий показания шкалы барабана в длинах волн: 
.
Задание 2. Определение постоянной Ридберга и энергии ионизации атома водорода.
1. Вставить газоразрядную трубку с водородом в «Спектр-1». Повернуть ручку регулировки выходного напряжения источника питания влево до упора. Включить источник питания в сеть, подать на «Спектр-1» напряжение 6-8 В. Передвигая «Спект-1», добиться равномерного освещения шкалы монохроматора. Результаты занести в таблицу 3.
Примечание: Начинать поиск нужных линий надо с наиболее интенсивной Нα. Между Нα и Нβ располагаются несколько красно – желтых и зеленых сравнительно слабых молекулярных полос. Перед Нγ располагаются две слабые размазанные молекулярные полосы синего цвета.
2. Пользуясь градуировочным графиком (задание 1), определить длины волн линий спектра водорода. Результаты занести в таблицу 3.
Убедиться в том, что отношение длин волн водородных линий соответствует формуле (10).
3. По формуле (4) для четырех линий Бальмера вычислить четыре значения постоянной Ридберга. Значения занести в таблицу 3.
Таблица 3.
| № линии | N1 отсчет по барабану | N2 отсчет по барабану | <N> среднее значение | λ, нм | R, м-1 |
| Нα | |||||
| Нβ | |||||
| Нγ | |||||
| Нδ |
Найти среднее значение постоянной R.
Оценить погрешность результата σ, используя формулу
4. Рассчитать энергию ионизации атома водорода с учетом того факта, что ее значение численно равно энергии кванта, соответствующего границе серии Лаймана 
5. По среднему значению постоянной Ридберга пользуясь формулой (12), построить диаграмму уровней энергии атома водорода (см.рис.3).
Контрольные вопросы.
1. Какие особенности спектра излучения атомарного водорода не могут быть объяснены с позиций классической физики?
2. При каких условиях возникают спектры испускания и спектры поглощения?
3. В чем состоят процессы возбуждения и ионизации атома?
4. Сформулируйте постулаты Бора.
5. Какова связь между формулой Бальмера и правилом частот Бора?
6. Объясните различие между постоянными R и R∞.
