Послідовність виконання роботи. Градуювання шкали спектроскопу по спектру ртуті та визначення постійної Планка

Лабораторна робота 86/92

Градуювання шкали спектроскопу по спектру ртуті та визначення постійної Планка.

Мета роботи: Знайомство з роботою спектроскопа та градуювання спектроскопа по спектру ртуті. Знаходження постійної Планка, використовуючи дисперсійну залежність .

Прилади і матеріали: спектроскоп (монохроматор), ртутна кварцова лампа ПРК–4, кюветка з розчином , лампа розжарювання, трансформатор.

Теоретичні відомості

Розклад білого світла на спектр при його проходженні через призму є наслідком дисперсії світла. Дисперсія світла – це залежність показника заломлення речовини від довжини хвилі l:

(86.1)

Якщо спрямувати вузький пучок білого світла на одну з граней тригранної призми, то заломлюючись у призмі, промені виходять під різними кутами (рисунок 86.1). Найбільш відхиляються фіолетові промені, які мають найкоротшу довжину хвилі, а найменше – червоні промені, у яких довжина хвилі найбільша. Якщо на скляну призму спрямовувати вузький пучок білого світла, то на екрані виникає його спектр.

Існують три типи спектрів – лінійчасті, смугасті і суцільні.

Лінійчасті спектри випромінюються не взаємодіючими атомами простих речовин, тому їх ще називають атомарними спектрами. Вони складаються з окремих кольорових ліній. Лінійчасті спектри одержують коли атоми речовин шляхом розжарювання переводять у газовий стан (наприклад, в електричній дузі).

Смугасті спектри, маючи вигляд окремих кольорових смуг, є спектрами випромінювання не взаємодіючих молекул даної речовини і тому називаються ще молекулярними спектрами. Нагріті гази і пара породжують смугасті спектри, оскільки складаються з практично не взаємодіючих молекул.

Cуцільні спектри складаються з різних кольорів, яки змінюють один одного – від червоного до фіолетового. Ці спектри дають нагріті тверді тіла і рідини, а також газ під великим тиском.

Досліджування спектрів дозволяє встановити якісний склад речовини. Кількісний зміст певного елемента визначають, вимірюючи яскравість його спектральних ліній. Цей спектральний аналіз здійснюється за допомогою спеціальних приладів – спектрографів і спектрометрів.

Розглянемо будову найпростішого спектрального апарата – спектроскопа (рисунок 86.1).

 

Рисунок 86.1.

Він складається з трьох частин: коліматорної труби К, столика з призмою П і зорової труби ЗТ, що переміщується відносно призми мікрометричним гвинтом. Коліматор має щілину 1, розміщену в головному фокусі лінзи 2. Перед щілиною знаходиться джерело світла. Промені, які проходять крізь щілину і падають на лінзу, виходять з неї паралельним пучком і попадають далі на передню грань призми П, яка завдяки явищу дисперсії розкладає світло на спектр. Крізь об’єктів промені надходять у зорову трубу. За допомогою лінзи 3, паралельні пучки світла збираються в різних точках її фокальної площини 4. За допомогою окуляра – лінзи 5 – ми бачимо збільшене зображення спектра 6.

Для перетворення спектроскопа на спектрометр необхідно проградуювати шкалу спектроскопа, тобто поставити у відповідність поділкам шкали спектроскопа відповідні значення довжин хвиль. Для цього використовується у вигляді графіка залежність довжини хвилі від кута повороту барабану .

Для знаходження постійної Планка розглянемо природу світла. З теорії Максвела відомо, що світло являє собою електромагнітні хвилі, які випромінюють атоми та молекулі речовини. Хвильова теорія світла добре пояснювала низку явищ, зв’язаних з поширенням світла, таких як інтерференція, дифракція, поляризація та дисперсія. Однак, закони теплового випромінювання – закони Стефана–Больцмана, Віна, Кірхгофа – електромагнітна теорія пояснити не змогла.

Намагаючись подолати ці труднощі німецький фізик Макс Планк у 1900 року висловив гіпотезу, що випромінювання та поглинання світлової енергії електромагнітного поля відбувається не безперервно, а здійснюється окремими порціями – квантами світла, або фотонами.

Енергія фотона пов’язана с його частотою рівнянням:

, (86.2)

де – стала Планка.

Оскільки швидкість світла , формулу (86.2) можна записати у вигляді , звідки

(86.3)

Отримання постійної Планка в цієї роботі зводиться до визначення довжини хвилі , яка відповідає червоної границі спектра поглинання двохокісного калію . При цьому відбувається реакція, яка протікає з поглинанням енергії:

, (86.4)

де – мінімальна (гранична) енергія фотона, яка необхідна для здійснення реакції (86.4). Досліди показують, що для даної речовини ця енергія дорівнює

. (86.4)

Довжина хвилі, котра відповідає граничній енергії, визначає границю спектра поглинання розчину двоххромоокісного калію. Визначив граничну довжину хвилі , можна знайти постійну Планка за формулою (86.3).

Експериментальна установка зображена на рисунку 86.2.

 
 

 


Рисунок 86.2.

Вона складається з монохроматора 1, ртутної лампи 2, водневої газорозрядної трубки 3, неонової лампочки, яка знаходиться у захисному кожусі 4, блока живлення 5 та кюветки з розчином 6.

Послідовність виконання роботи

А) Градуювання спектроскопа:

1 Накреслити таблицю вимірюваних величин за зразком, наведеним нижче (таблиця 86.1).

2 Розглянути будову спектроскопа. Ознайомитись з механізмами його управління.

3 Переключити тумблер Т в положення ПРК-4 (дивись рисунок 86.2). Встановити щілину коліматора перед вікном ртутної лампи 2. Налаштувати найкращу видимість спектра. Добитись чіткого зображення візирного штиря за допомогою переміщення окуляра вихідного коліматора.

4 За допомогою відлікового пристрою спектроскопа для кожної лінії відомого спектра (значення довжини хвилі якої вказані у таблиці) визначити показання відлікового пристрою спектроскопа і занести їх у таблицю 86.1.

5 За даними таблиці накреслити на міліметровому папері графік залежності довжини хвилі від показу відлікового пристрою спектроскопа – градуювальну криву спектроскопа.

Б) визначення постійної Планка:

1 Знайти граничну довжину хвилі спектра поглинання розчину двохокісного калію . Для цього:

Тумблер Т перевести в положення Л-1. Коліматор спектроскопу направити на нить лампи розжарювання.

За допомогою відлікового пристрою – барабану Б (дивись рисунок 86.2) – знайти в полі зору окуляра суцільний спектр.

Розташувати кюветку з розчином так, щоб прозори грані її були перпендикулярні коліматорної трубі. При цьому короткохвильова частина спектра буде поглинатися.

За допомогою барабану Б визначити положення границі області поглинання світла.

2 Використовуючи градуювальну криву спектроскопа, знайти відповідне до цієї границі значення .

3 За формулою (86.3) визначити постійну Планка.

Звіт за виконану роботу

1 Робоча формула:

– постійна Планка.

Величини, що знаходяться за допомогою градуювальної кривої спектра:

– граничне значення довжини хвилі, м.

Табличні величини:

– швидкість світла у вакуумі;

– енергія фотона, яка необхідна для здійснення реакції.

Величини, що обчислюються:

– постійна Планка, .

2 Результати експерименту:

Таблиця 86.1

№ з/п Колір лінії Довжина хвилі , нм Відлік за шкалою , поділки  
Червона – 1  
Червона – 2  
Червона – 3  
Червона – 4  
Червона – 5  
Жовта – 1  
Жовта – 2  
Зелена  
Блакитна – 1  
Блакитна – 2  
Темно-блакитна – 1  
Фіолетовий – 1  
Фіолетовий – 2  

Контрольні питання

1 Що називається дисперсією світла? Привести приклади цього явища.

2 Що таке спектр випромінювання речовини?

3 Накреслити принципову схему спектроскопа. Поясніть хід променів у спектроскопі.

4 Що таке спектральний аналіз? Для чого він застосовується?

5 В чому полягає градуювання спектроскопа?

6 Які джерела світла використовуються в даній роботі? Які спектри вони дають? Чим вони відрізняються один від одного?

7 Сформулюйте гіпотезу М. Планка.

8 Що таке фотон? Наведіть формулу для знаходження енергії фотона.

9 У чому полягає корпускулярно-хвильовий дуалізм властивостей світла?