Numer ćwiczenia 11	Temat ćwiczenia Poziomy energetyczne atomu wodoru. Stała Rydberga	Ocena z teorii
Numer zespołu 7	Nazwisko i imię Fiołek Robert	Ocena zaliczenia ćwiczenia
Data 29.03.2006	Wydział, rok, grupa EAIiE, AiR rok I, gr. I	Uwagi

Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest analiza spektralna światła emitowanego przez atomy wodoru, odtworzenie układu stanów energetycznych oraz wyznaczenie energii jonizacji atomu wodoru.

Wstęp teoretyczny

Siatka dyfrakcyjna - jeden z najprostszych przyrządów do przeprowadzania analizy widmowej. Tworzy ją układ równych, równoległych i jednakowo rozmieszczonych szczelin. Jest to przezroczysta lub półprzezroczysta płytka - kryształowa, szklana lub z tworzywa sztucznego. Na jedną ze stron płytki zostaje naniesiona seria równoległych nieprzezroczystych linii, o stałym i odpowiednio małym rozstawie - od kilkunastu linii na milimetr aż do tysiąca w przypadku dobrych siatek. Działanie siatki dyfrakcyjnej polega na wykorzystaniu zjawiska dyfrakcji i interferencji światła do uzyskania jego widma. W tym celu pomiędzy źródłem światła a białym ekranem umieszcza się siatkę dyfrakcyjną. Na ekranie uzyskuje się w ten sposób widmo światła.

d ·sinα = nλ ,gdzie n - rząd widma , d - stała siatki , λ - długość fali

Zdolność rozdzielcza - w optyce przydatność określonego przyrządu optycznego do obserwacji obiektów o określonej odległości kątowej. Im większa jest zdolność rozdzielcza tym bliższe sobie punkty są obserwowane jako odrębne, a nie jako pojedyncza plama.

,gdzie N - liczba szczelin siatki, s - szerokość czynna siatki

Widmo emisyjne - widmo spektroskopowe, które jest obrazem promieniowana elektromagnetycznego wysyłanego przez ciało w przestrzeń. Widmo emisyjne powstaje zwykle na skutek wzbudzenia elektromagnetycznego elektronów atomów tworzących dane ciało i następnie powrót tych elektronów do stanu podstawowego. Po przejściu elektronu do stanu podstawowego następuje emisja kwantu promieniowania elektromagnetycznego równego różnicy energii poziomu wzbudzonego i podstawowego. W przypadku gazów - widmo emisyjne przyjmuje często formę serii dobrze rozseparowanych częstotliwości, które spektrometry rejestrują formie kolorowych prążków. Układ tych prążków jednoznacznie wskazuje na obecność określonego pierwiastka w gazie i jest nazywany widmem atomowym. Umożliwia to m.in. ustalanie na podstawie widm emisyjnych składu pierwiastkowego odległych ciał niebieskich.

Widmo absorpcyjne - graficzny zapis zmian wartości absorpcji w zależności od długości fali. Powstaje podczas przechodzenia promieniowania elektromagnetycznego przez ośrodek absorbujący promieniowanie. Widmo absorpcyjne związane jest ze zmianami energii elektronowej, oscylacyjnej i rotacyjnej.

Widmo emisyjne wodoru w zakresie widzialnym - w zakresie widzialnym występują 3 silne linie wodoru: H_α (656.3 nm) , H_β (486.1 nm) , H_γ (434 nm) oraz szereg linii w nadfiolecie o długościach fal zbliżających się w regularny sposób do granicy krótkofalowej.

Wypromieniowanie następuje tylko wtedy, gdy atom przechodzi z jednego stanu o energii E_k, do innego stanu o niższej energii E_j. Można to zapisać w postaci równania:

hv = E_k - E_j gdzie hv oznacza kwant energii uniesionej przez foton.

W zależności od liczb kwantowych rozróżniamy następujące serie widmowe wodoru:

Seria Lymana (1) , seria Balmera (2) , seria Paschena (3) , seria Bracketta (4) , seria Pfunda (5)

Ogólny wzór na długość fali fotonu odpowiadajacego przejściu pomiędzy dwiema powłokami w atomie wodoru:

Stała Rydberga - stała pojawiająca się we wzorach opisujących poziomy energetyczne i serie widmowe atomów.

gdzie m - masa elektronu, e - ładunek elektronu, c- prędkość światła, h - stała Plancka.

Model budowy atomu Bohra - Według tego modelu elektron krąży wokół jądra jako naładowany punkt materialny, przyciągany do jądra siłami elektrostatycznymi. Pierwszym równaniem modelu jest równość siły elektrostatycznej i siły dośrodkowej. Drugie równanie, spoza mechaniki, informuje, że długość fali elektronu mieści się całkowitą liczbę razy w długości orbity kołowej.

Energią jonizacji pierwiastka nazywa się minimum energii jaką należy użyć by oderwać elektron od atomu tego pierwiastka w stanie gazowym. Mówi się o pierwszej, drugiej, trzeciej itp. energii jonizacji w odniesieniu do oderwania się odpowiednio 1, 2, 3 i więcej elektronów od atomu.

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 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.

---