Методика измерений

Для визуального наблюдения спектральных линий излучения атомов неона и ртути используется монохроматор УМ-2 в качестве спектрометра, работающего в диапазоне от 380 до 1000 нм. Описание монохроматора приведено в приложении.

Источник света Л рекомендуется располагать на расстоянии 45 см от щели, а конденсор К - примерно в 13 см от источника. Перемещая окуляр, следует получить резкое изображение острия указателя 10 и спектральных линий.

Порядок выполнения работы

Опыт начинать с наблюдения спектра излучения атомов неона, для чего:

1. Включить неоновую лампу. ( Включают лаборанты! ).

2. При помощи барабана 7 находят спектр, получают резкое изображение и указатель совмещают с желтой линией неона ( =585,2 нм) и записывают показание барабана (≈1980º).

3. Затем наблюдают все линии в сторону красной области, после чего все линии в сторону сине-зелёной области. При этом руководствуются набором спектральных линий таблицы № 9. Для каждой линии записывают показания барабана. Когда найдёте и запишете показания барабана для всех линий неона, указанных на таблице № 9, заменяете неоновую лампу ртутной и подобным образом проводите наблюдение линий ртути, указанных на таблице № 8.

Задания: I.

1. Проградуируйте спектрометр (монохроматор) по линиям неона и ртути. График построить на миллиметровой бумаге.

2. Для крайних линий неона и ртути вычислите энергию фотонов, используя таблицы 1.

Контрольные вопросы.

1. Модель атома по Бору. Постулаты Бора.

2 Механизм излучения и поглощения фотонов атомами.

3. Дисперсия света и диспергирующие приборы.

4. Лабораторная работа № 3.19. Спектральный анализ

Цель работы: Ознакомление с основными принципами спектрального анализа; изучение оптической схемы спектральных приборов и их характеристик; определение неизвестного элемента по его спектру.

Приборы и принадлежности: Монохроматор УМ-2, неоновая лампа, разрядная лампа с неизвестным газом.

Развитие спектрального анализа

Спектральным анализом называется физический метод определения химического состава вещества, основанный на изучении спектра излучения или поглощения электромагнитных волн этим веществом. Различают качественный и количественный анализ. Задачей качественного спектрального анализа является установление всех химических элементов, из которых состоит исследуемый образец. Она решается путем измерения длин волн спектральных линий излучения вещества и отождествления их по таблицам с определенными химическими элементами.

В задачу количественного спектрального анализа входит определение концентраций химических элементов, содержащихся в веществе-источнике излучения. Этот анализ производится путем измерения интенсивностей спектральных линий данного элемента и последующего сравнения их с интенсивностями тех же линий в образцах с известной концентрацией того же элемента.

Спектральный анализ в подавляющем большинстве случаев точнее, быстрее и чувствительнее химических методов и поэтому широко применяется в современном производстве и в научных исследованиях. Особую роль играет спектральный анализ в астрофизике: здесь это единственный экспериментальный метод определения химического состава в строении звезд.

Путь к современным методам, технике и пониманию физических основ спектрального анализа был длинным и непростым. Началом систематического изучения спектров излучения вещества следует считать работы И. Ньютона по преломлению света в призмах. Он первым сформулировал идею о том, что белый свет является составным, т.е. представляет собой смесь лучей различного цвета и различной преломляемости.

В 1834 г. Ф. Тальбо первым пришел к заключению: “Когда в спектре пламени появляются какие-либо определенные линии, они характеризуют металл, содержащийся в пламени”. В 1835 г. Ч. Уитстон, исследуя спектр электрической искры, подтверждает эту мысль: линии спектра зависят только от качества электродов, причем для каждого материала характерен свой спектр.

В 1854-1859 г.г. физик Г.Р. Кирхгоф и химик Р.Б. Бунзен провели большую серию экспериментов со спектрами излучения различных веществ, возбуждаемых в пламени газовой горелки, и пришли к фундаментальному выводу: “Разнообразие соединений, в которые входили металлы, разнообразие химических процессов, происходивших в различных пламенях, и огромный интервал температур – все это не оказывает никакого влияния на положение спектральных линий отдельных металлов”. Тем самым были сформулированы основы спектрального анализа: однозначная связь вида спектра с химической индивидуальностью атомов данного элемента. Сейчас говорят так: спектры – это паспорта атомов.

Плодотворность спектральных методов не замедлила проявиться: стоило в спектре какого-то соединения обнаружить неизвестные ранее линии, как химическим путем из этого соединения извлекался новый элемент. Так были открыты: рубидий (1860 г.), цезий (1861 г.), таллий (1862 г.), индий (1863 г.), галлий (1875 г.), гелий (1895 г.).

Однако, несмотря на значительные успехи в практическом применении спектрального анализа, вплоть до начала XX века оставались неясными фундаментальные физические вопросы: как устроен атом; почему спектры излучения атомов состоит из отдельных узких линий, тогда как спектры излучения молекул представляет собой набор относительно широких полос; почему спектры всех элементов разные? Иными словами: каков механизм излучения и поглощения света веществом. Ответить на эти вопросы классическая физика не смогла.