Методичка по физике.Лабораторные работы

Серии Бальмера, Пашена, Брекета, Пфунда принадлежат инфракрасной области спектра. Реализующиеся серии атома водорода показаны на рисунке 7.1.

Серия Бальмера Серия

Пашена

Серия

Лаймана

Рисунок 7.1 – Серии атома водорода

Частоты всех линий спектра водородного атома можно представить формулой:

ν = R′ k12 − n12 ,

где R′=Rc=3,29 1015 сек-1. При n, стремящемся в бесконечность, частота линии в каждом спектре стремится к значению kR2′ , которое называется

границей серии. На рисунке 7.2 представлена часть спектра атома водорода в видимой и близкой ультрафиолетовой области, где символами Hα , H β , Hγ , Hδ обозначены, соответственно, красная (n=3), зеленая (n=4),

синяя (n=5), фиолетовая (n=6) и граница серии Бальмера – H∞ .

Рисунок 7.2 – Спектр атомарного водорода

81

7.3 Описание установки

7.3.1 Общая схема установки

Исследование спектров излучения проводится с помощью установки, приведенной на рисунке 7.3. В лабораторную установку входят: универсальный монохроматор УМ–2 1; конденсор 2; источник света 3; источник питания лампы 4; закрепленные на рельсе 5.

3 4

1 – монохроматор УМ-2; 2 – конденсор; 3 – источник света; 4 – источник питания лампы; 5 – рельс

Рисунок 7.3 – Лабораторная установка для исследования спектров излучения

7.3.2 Универсальный монохроматор

Конструкция УМ-2 приведена на рисунке 7.4. Свет через входную щель 1 попадает в объектив коллиматора 2, параллельным пучком проходит диспергирующую призму 3 и под углом 90° к первоначальному направлению наблюдается в объективе выходной трубы монохроматора 4. Фокусное расстояние объектива для каждой волны изменяется. Маховичок 5 позволяет фокусировать изображение линий в объективе. С помощью микрометрического винта 6 поворотного механизма можно настраиваться на отдельные спектральные линии. На барабане 7 поворотного механизма нанесены относительные деления – градусы, позволяющие производить градуировку монохроматора.

82

7.3.3 Конденсор

Конденсор (рисунок 7.5) предназначен для проектирования источника света на щель монохроматора. Для этого на рельс прибора

3

2 1

7 6 5

4

1 – входная щель; 2 – объектив коллиматора; 3 – диспергирующая призма; 4 – объектив выходной трубы; 5 – маховичок для фокусировки объектива; 6 – микрометрический винт поворотного механизма; 7 – барабан поворотного механизма

Рисунок 7.4 – Схема универсального монохроматора УМ-2

3

2

1

1 – винт, закрепляющий конденсор на рельсе; 2 – винт, регулирующий конденсор по высоте; 3 – винт, позволяющий изменить угол падения луча на входную щель монохроматора

Рисунок 7.5 – Конденсор

83

помещают конденсор с фокусным расстоянием F=94мм, а на корпус щели надевают насадку с линзой (F=140мм). Конденсор закрепляется на рельсе винтом 1. Винт 2 позволяет настроить конденсор по высоте, а винт 3 – повернуть конденсор таким образом, чтобы изображение луча попало в перекрестие, изображенное на насадке, и было наиболее четким. После фокусировки насадку снимают с корпуса щели.

7.3.4 Источники света

В работе используются: неоновая, ртутная ДРШ–250 и водородная лампы. Напряжение на неоновую (рисунок 7.6,а) и ртутную (рисунок 7.6,б) лампы подается от пульта питания (рисунок 7.6,в). Передняя панель пульта питания снабжена выключателем сети, пусковой кнопкой и выключателем ртутной лампы. Градуировку монохроматора

а) держатель неоновой лампы; б) держатель ртутной лампы; в) пульт питания

Рисунок 7.6 – Держатели ламп и пульт питания

производят с использованием неоновой и ртутной ламп. Измерение длин волн серии Бальмера – с помощью водородной лампы ТВС-15 (рисунок 7.7). Высоковольтное напряжение на лампу подается от универсального источника питания ОУ-1.

Рисунок 7.7 – Водородная лампа ТВС-15 и источник питания ОУ-1

84

7.4 Условия безопасности труда

Монохроматор и источники питания ламп должны быть заземлены. На водородную лампу подается напряжение 3000 В. Во время работы в

ртутной лампе развивается давление до 30 атмосфер.

При включенных ртутной и водородной лампах нельзя прикасаться к контактам и подводящим проводам. Поочередную установку и включение ламп производит дежурный инженер. Обращение с лампами должно быть ОСТОРОЖНЫМ!

7.5 Экспериментальная часть

7.5.1 Работа с неоновой лампой 7.5.1.1 Используя конденсор (см. п. 7.3.2) и маховичок

монохроматора, добейтесь четкого изображения спектральных линий.

Таблица 7.1 – Неоновая лампа

85

зелено-голубая, синяя, фиолетовая. Данные занесите в таблицу 7.3.

Таблица 7.3 – Водородная лампа

7.6 Обработка результатов

7.6.1По данным таблиц 7.1, 7.2 постройте градуировочный график, для этого на оси абсцисс откладывают средние значения деления барабана, на оси ординат – соответствующие значения длин волн неона и ртути.

7.6.2Определите по графику длинны волн серии Бальмера. Для этого из точек на оси абсцисс, соответствующих средним значениям делений барабана, восстанавливают перпендикуляр до пересечения с графиком. Далее из точек пересечения проводят перпендикуляр к оси ординат.

Запишите значения длин волн серии Бальмера λ0 в таблицу 7.3. 7.6.3 Определите постоянную Ридберга по формуле:

где n=3, 4, 5, 6. Сравните полученные значения с теоретическим значением постоянной Ридберга.

7.6.4 Используя выражения (7.7) и (7.11), выведите формулу энергии ионизации атома водорода для основного состояния. С помощью полученного соотношения и значений постоянной Ридберга, рассчитанных в пункте 7.6.3, определите энергию ионизации. Результат представьте в электронвольтах.

7.6.5 Сделайте вывод о проделанной работе.

7.7 Контрольные вопросы

7.7.1Расскажите о модели атома Резерфорда.

7.7.2Сформулируйте постулаты Бора.

87

7.7.3Выведите формулу для кинетической, потенциальной, полной энергии электрона в атоме.

7.7.4При каких условиях происходит излучение энергии атомами.

7.7.5Что называется энергией ионизации?

7.7.6Какое состояние атома называется стационарным (основным)?

7.7.7Запишите условие Бора, определяющее стационарное состояние

атома.

7.7.8Объясните происхождение спектра атома водорода.

7.7.9Чему равна энергия стационарного состояния атома водорода?

7.7.10Как определить частоту испускаемой электромагнитной волны при переходе электрона с n-го уровня на k-ый?

7.7.11Дайте определение серии.

7.7.12Какие серии могут реализовываться в атоме водорода?

7.7.13При каких условиях реализуется серия Бальмера?

7.7.14Расскажите о правилах безопасности выполнения работы.

Литература

1Савельев И.В. Курс общей физики: Учеб. пособие для втузов: В 5- ти кн. Кн. 5: Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц. – М.: Наука. Физматлит, 1998. – 368 с.

2Зайдель А.Н. Физика и техника спектрального анализа. – М.:

Наука, 1965. – 322 с.

3Зайдель А.Н., Прокофьев В.К., Райский С.М. Таблицы спектральных линий. – М.: Наука, 1977. – 145 с.

88

8 Изучениеинтерференцииидифракциисветаспомощьюлазера

8.1 Цель работы

Целью работы является изучение явлений дифракции, интерференции света, вынужденного излучения и использование этих явлений для определения показателя преломления стеклянной пластины, толщины нити и ширины щели.

8.2 Теоретическое введение

8.2.1 Интерференция световых волн

Световая волна – это электромагнитная волна, испускаемая источником света, каждая точка которой характеризуется векторами напряжённостей электрического E и магнитного H полей.

Свет представляет собой сложное явление: в одних случаях он ведёт себя как электромагнитная волна, в других – как поток особых частиц (фотонов). Волновая природа света проявляет себя наиболее отчётливо в явлениях интерференции, дифракции и поляризации света.

Источник света – это огромная совокупность излучателей: атомов, молекул. Переход атома из состояния с большим значением энергии En в состояние с меньшим значением энергии Em сопровождается излучением монохроматической электромагнитной волны, частота которой определяется выражением

Интерференцией волн называется явление усиления колебаний в одних точках пространства и ослабления колебаний в других точках в результате наложения двух или нескольких волн, приходящих в эти точки.

Поскольку свет представляет собой электромагнитные волны, должна наблюдаться интерференция света. Однако в результате того, что отдельные световые импульсы, посылаемые высвечивающимися атомами источника света, не согласованы между собой по фазе, а, кроме того, могут отличаться и по частоте, картина взаимного усиления, возникшая в какомлибо участке пространства, уже через миллиардные доли секунды сменяется картиной взаимного ослабления, и наоборот. Хаотическая смена таких мгновенных картин глазом не воспринимается, а создаёт ощущение ровного потока света, не изменяющегося во времени.

Для наблюдения устойчивой во времени интерференционной картины необходимы условия, при которых частоты, поляризации и разность фаз интерферирующих лучей были бы постоянными в течение всего времени наблюдения.

89

Волны одинаковой частоты, колебания в которых отличаются постоянной разностью фаз, не изменяющейся со временем, называются когерентными (связанными).

Для получения когерентных волн, очевидно, необходимо иметь два источника волн одинаковой частоты, колеблющихся с постоянной разностью фаз (например, две синхронизованные по частоте радиостанции). Однако световые волны, испускаемые отдельными атомами источника света, никак не согласованы по фазе. Поэтому когерентные световые волны получают, разделяя при помощи того или иного оптического устройства волну, идущую от одного источника света, на две волны, идущие по разным направлениям. Если эти волны пройдут различные пути, а затем будут снова сведены и наложены одна на другую, то поскольку на путях разной длины фаза волны меняется на разную величину, волны придут в точку встречи с постоянной неизменной во времени разностью фаз.

В общей теории колебаний показано, что при сложении двух одинаково направленных колебаний квадрат амплитуды результирующего

i,k =1

где i и k пробегают все значения от 1 до n, кроме i=k.

Модуль среднего по времени значения плотности потока энергии S , переносимой световой волной, называется интенсивностью света или

Если разность фаз φ возбуждаемых волнами колебаний остаётся постоянной во времени, то волны называются когерентными. Когерентность – согласованное протекание во времени и пространстве нескольких волновых процессов. В случае некогерентных волн φ непрерывно изменяется, принимая с равной вероятностью любые значения, вследствие чего среднее по времени значение cos ϕ равно нулю, отсюда интенсивность, наблюдаемая при наложении некогерентных волн, равна сумме интенсивностей, создаваемых каждой из волн в отдельности:

J = J1 + J 2 .

90