Изучение спектра излучения ртутной лампы и определение постоянной Планка

Цель работы: изучить спектры излучения нагретых тел, произвести градуировку монохроматора и определить постоянную Планка.

ВВЕДЕНИЕ

Нагретые твердые тела являются источниками излучения электромагнитных волн различной длины. Спектры излучения бывают различными. Так, если на пути света, излучённого спиралью лампочки накаливания, поставить призму, то на экране будет наблюдаться сплошной спектр. Вещества в газообразном атомарном и молекулярном состоянии дают соответственно линейчатый и полосатый спектры.

Поставим между лампой накаливания и призмой кювету с водным раствором , при этом в коротковолновой (зеленой) области спектра наблюдается темная полоса. Это происходит потому, что данный раствор в этой части спектра поглощает электромагнитное излучение. Причина такого поглощения следующая: ионы в водном растворе , могут диссоциировать согласно уравнению:

где D W - энергия, необходимая для диссоциации одного иона. Если энергия кванта, проходящего через раствор: , больше или равна энергии DW, необходимой для разложения одного иона, т.е. , то фотон будет поглощён ионом и его энергия пойдёт на диссоциацию. Таким образом, все кванты, энергия которых больше некоторой предельной, будут поглощаться раствором .

Пусть наименьшая энергия, достаточная для диссоциации иона , тогда

где с - скорость света в вакууме; - длина волны, соответствующая границе поглощения излучения в сплошном спектре при прохождении света через раствор; - постоянная Планка.

Определив опытным путем , можно вычислить постоянную Планка по формуле:

(1)

где - скорость света в вакууме.

Длину волны можно определить с помощью призменного спектрометра (монохроматора). Для этого предварительно необходимо произвести градуировку прибора по эталонному спектру (в нашей работе – спектру ртути), т.е. снять зависимость по шкале прибора от длины волны . Построив градуировочный график, можно найти , предварительно определив отсчёт , соответствующий границе поглощения (рис. 1).

l _max

Рис.1. Градуировочный график.

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Установка состоит из источников света - лампы накаливания или ртутной лампы, кюветы с поглощающим раствором и спектрального призменного прибора - монохроматора. Ртутная лампа является источником линейчатого спектра и служит для градуировки монохроматора. Лампа накаливания является источником сплошного спектра и служит для определения с помощью градуировочного графика монохроматора. Коротковолновая часть этого спектра поглощается в кювете с раствором .

Приборная часть лабораторной установки показана на рис.2. Здесь представлены: 1 - монохроматор, 2 - ртутная лампа, 3 - блок питания, 4 - лампа накаливания, 5 - кювета с раствором , 6 - оптическая скамья.

Включение ртутной лампы производится тумблером «ДРГШ» с последующим нажатием кнопки «ПУСК». Включение лампы накаливания осуществляется тумблером «К12».

Рис. 2. Схема установки

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Задание 1. Градуировка монохроматора.

1. Убедитесь, что на оптической скамье находится только ртутная лампа.

2. Включите блок питания и зажгите ртутную лампу. Внимание! Во избежание повреждения сетчатки глаза ультрафиолетовыми лучами избегайте прямого попадания излучения ртутной лампы в глаз.

3. Наблюдая линейчатый спектр ртутной лампы через окуляр зрительной трубы монохроматора, добейтесь резкого изображения линий.

4. Снимите отсчеты, соответствующие девяти спектральным линиям, изображённым на стандартной таблице (смотрите спектр излучения атомов ртути). Цвет линии, длину волны (из таблицы) и отсчёт по барабану монохроматора, соответствующий данной длине волны, запишите в таблицу 1. Длина волны в таблице указана в ангстремах, 1 = 10^-10 м. Для отсчёта положения спектральной линии её центр совмещают с остриём указателя. Отсчёт производится по делениям барабана .

5. Выключите ртутную лампу.

Таблица 1

№ п/п	Цвет линии
1
2
…
9

Задание 2. Определение границы поглощения сплошного спектра

1. Установите на оптическую скамью лампу накаливания. Включите её и, вращая барабан монохроматора, наблюдайте в окуляре сплошной спектр.

2. Поместите кювету с раствором перед щелью монохроматора.

3. Наблюдая сплошной спектр, найдите границу поглощения и, совмещая с ней указатель, снимите отсчёт по барабану. Измерения проделайте 5 раз, каждый раз вращением барабана смещая указатель на несколько десятков делений влево или вправо от границы поглощения. Результаты запишите в таблицу 2.

Таблица 2