Poziomy energetyczne atomu wodoru. Stała Rydberga

Ćwiczenie 11
Poziomy energetyczne atomu wodoru. Stała Rydberga
Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest analiza spektralna światła emitowanego przez atomy wodoru,
odtworzenie układu stanów energetycznych oraz wyznaczenie energii jonizacji atomu
wodoru.
Wymagane wiadomości teoretyczne
Siatka dyfrakcyjna, równanie siatki dyfrakcyjnej, zdolność rozdzielcza siatki. Widmo
emisyjne i absorpcyjne, widmo ciągłe, widmo liniowe, widmo pasmowe. Widmo emisyjne
wodoru w zakresie widzialnym, seria Balmera, równanie Rydberga. Model atomu wodoru
według Bohra, postulaty Bohra, stany energetyczne, stała Rydberga, serie widmowe Lymana
(ultrafiolet), Paschena, Bracketta, Pfunda (podczerwień). Energia jonizacji atomu wodoru.
Wyposażenie stanowiska
Lampy spektralne: hel i wodór, uchwyt do lamp spektralnych, zasilacz wysokiego napięcia
0 – 10 kV, statyw, siatka dyfrakcyjna, siatkowy mikrospektrometr światłowodowy, komputer.
Wykonanie ćwiczenia
1.
Ostrożnie umieścić lampę helową w uchwycie i podłączyć do zasilacza.
2. Włączyć zasilanie i zwiększać napięcie na lampie aż do uzyskania stabilnego świecenia.
3. Przeprowadzić obserwację widma emitowanego przez lampę obserwując lampę
wyładowczą poprzez siatkę dyfrakcyjną.
4. Oświetlić otwór wejściowy spektrometru światłowodowego wprowadzając koniec
światłowodu w boczny otwór osłony lampy wyładowczej.
5. Włączyć zasilanie spektrometru; na obudowie zapala się wówczas czerwona dioda
sygnalizacyjna.
6.
Uruchomić program obsługi spektrometru (program "SPM"). W „Ustawieniach” przyjąć
uśrednianie 10, a czas ekspozycji co najmniej 100 milisekund.
7. Uruchomić "Pomiar". W czasie pomiaru mysz jest nieaktywna. Po zakończeniu pomiaru,
korzystając z kursora, odczytać wartości wszystkich długości fali odpowiadające
2
maksimom występującym w widmie emisyjnym lampy wyładowczej. Położenie kursora
podawane jest w prawym górnym rogu ekranu monitora.
8. Widmo można zapisać na dysku twardym korzystając z instrukcji „Zapisz".
9. Zmniejszyć napięcie zasilacza do zera, a następnie wyłączyć zasilacz, po czym odłączyć
od obudowy lampy końcówkę spektrometru światłowodowego.
10.
Wymienić ostrożnie rurę wyładowczą na rurę wypełnioną wodorem, podłączyć do niej
końcówkę światłowodową.
11. Powtórzyć czynności z punktów 5 – 7. Pomiar kilkakrotnie wykonać przy wydłużaniu
czasu pomiaru tak, by w mierzonym zakresie widmowym dało się zarejestrować cztery
linie widmowe wodoru. Zapisywać wyniki na dysku twardym pamiętając za każdym
razem o zmianie nazwy.
Uwaga: szczególnie małe natężenie obserwuje się dla linii o najkrótszych długościach
fali.
12. Odczytać wartości długości fali i natężenia odpowiadające maksimom.
13. Po zakończeniu pomiarów zmniejszyć zasilanie lampy wyładowczej do zera, a następnie
wyłączyć
zasilanie
lampy
wyładowczej.
Wyłączyć
zasilanie
spektrometru
światłowodowego.
Opracowanie wyników
1.
Sprawdzić krzywą cechowania osi x
programu obsługi spektrometru, wykorzystując
pomiar długości fali helu. Wykreślić zależność długości fali rzeczywistej od podawanej
przez program. Długości fali najbardziej
intensywnych linii helu z zakresu
promieniowania widzialnego podane są w Tabeli. Dla ułatwienia identyfikacji podano
w Tabeli także orientacyjne natężenia linii. Dane pochodzą z tablic American Physics
Handbook.
2. Aproksymować zależność z punktu 1 przez zależność liniową.
3. Skorygować długości fali mierzone dla wodoru korzystając z zależności uzyskanej
w punkcie 2.
4. Wyniki umieścić w tabeli:
Długość fali (nm)
1/długość fali (nm-1)
Natężenie (jednostki.względne)
1/n2
Jeśli długości fali są umieszczane w kolejności od największej do najmniejszej, to
liczbami naturalnymi n będą w kolejności 3, 4,... itd.
5.
Sporządzić wykres zależności 1/długość fali = f(1/n2).
3
6. Aproksymować zależność z punktu 5 przez zależność liniową wyznaczając w ten sposób
stałą Rydberga oraz głowicę pasma dla serii Balmera.
7.
Wyliczyć energię jonizacji atomu wodoru.
8. Oszacować błąd wyznaczenia stałej Rydberga metodą graficzną. Przy określaniu błędu
pomiaru odwrotności długości fali uwzględnić minimalną odległość punktów na skali
przyrządu wynikającą z jego własności, a równą około 3 nm.
Tabela. Długości fali widma helu z zakresu promieniowania widzialnego
Długość fali
(nm)
388,8
402,6
438,8
447,2
471,3
492,1
Natężenie
(j. wzgl.).
10 000
1 450
590
2 220
370
1 800
Długość fali
(nm)
501,6
504,8
587,6
667,8
706,5
728,1
Natężenie
(j. wzgl.)
3 100
860
7 100
1 850
1 450
1 450
Literatura
1.
D. Halliday, R. Resnick, Fizyka. Tom II. PWN, Warszawa 1984.
2.
V. Acosta, C.L. Cowan, B.J. Graham, Podstawy Fizyki Współczesnej. PWN, Warszawa
1981.
3.
Pracownia Fizyczna Wydziału Fizyki i Techniki Jądrowej AGH. Część II. Wydanie
drugie, pod redakcją Andrzeja Zięby, Kraków 1999. Skrypty uczelniane SU 1571, str. 54.
Krótki opis spektrometru
Spektrometr został zbudowany na bazie mikrospektrometru firmy „microParts“. Jest to
siatkowy spektrometr odbiciowy z ogniskująca siatką o 450 liniach na cm. Przystosowany jest
do pomiarów w zakresie promieniowania widzialnego, długości fali w przedziale od 380 nm
do 780 nm. Detektorem jest linijka CCD o 256 fotoelementach. Badany strumień świetlny
jest doprowadzany do spektrometru za pomocą kabla światłowodowego. Rozdzielczość
przyrządu jest lepsza niż 7 nm.
Schemat głównego elementu całego przyrządu przedstawiony jest na rysunku: