Numer ćwiczenia: 15	TEMAT: Wyznaczanie poziomów energetycznych atomu wodoru za pomocą spektroskopu pryzmatycznego.	Ocena z teorii:
Numer zespołu: 2	Grzegorz Sumera	Ocena końcowa:
Data: 15.04.1997	IMiR Rok IB Grupa 8	Uwagi:

CZĘŚĆ TEORETYCZNA:

1.Fala elektromagnetyczna.

Najogólniej fala elektromagnetyczne powstaje poprzez nałożenie się oddziaływujących wzajemnie pola elektrycznego i pola magnetycznego. Zmienne prądy elektryczne płynące w przewodniku wywołują zmienne pole magnetyczne w otaczającej przestrzeni. Natomiast zmienne pole magnetyczne wywołuje w dalszej przestrzeni zmienne pola elektryczne, itd. Zjawisko to zostało teoretycznie opisane przez Maxwella, później poparte doświadczeniami Hertza. Jest to rodzaj fali charakteryzującej się: a) zaburzenie porusza się bez zmiany kształtu z prędkością światła, b) kierunki E (natężenie pola elektrycznego) i B (indukcji pola magnetycznego) oraz kierunek rozchodzenia się fal są wzajemnie prostopadłe, iloczyn wektorowy E x B ma ten sam zwrot co rozchodząca się fala, c) w tym samym miejscu i czasie E = B.

2. Załamanie i odbicie.

α

α'

β

Wiązka padająca tj. promień padający równoległy do kierunku rozchodzenia się wiązki. Załóżmy, że wiązka padająca jest falą płaską a czoło fali jest prostopadłe do promienia padającego. Wiązka odbita i załamana przedstawiona jest również przez pojedyncze promienie. Kąt padania α, odbicia α' i załamania β są mierzone pomiędzy prostopadłą do powierzchni i odpowiednim promieniem jak na rysunku.

Prawa rządzące odbiciem i załamaniem można znaleźć na podstawie doświadczenia:

a) promień odbity i załamany leżą w jednej płaszczyźnie utworzonej przez promień padający i prostopadłą do powierzchni odbijającej w punkcie padania,

b) dla odbicia:

α=α'

c) Dla odbicia:

,

gdzie n21 jest stałą, zwaną współczynnikiem załamania dla ośrodka 2 względem ośrodka 1.

3.Dyspersja.

W przypadku wszystkich ciał przezroczystych, bezbarwnych stwierdzamy stopniowy wzrost współczynnika załamania n, gdy maleje długość fali, tzn gdy od czerwieni przechodzimy do fioletu. W tych warunkach mówimy o tzw. dyspersji normalnej, kiedy to światło białe zostaje rozszczepione.Na skutek tego zjawiska linia rozgraniczająca pole widzenia nie jest ostra, lecz bezbarwna i rozmyta, na przykład światło białe przechodząc przez pryzmat ulega rozszczepieniu na barwy: czerwoną, pomarańczową, żółtą, zieloną, niebieską, indygo i fioletową. Światło o poszczególnych barwach różni się długością fali (od 0,63 do 0,40 μm.Obraz otrzymany na skutek dyspersji to tzw. widmo.

4. Widma optyczne.

Widma optyczne dzielimy na dwie zasadnicze grupy: a) widma emisyjne: widma, które wywołują ciała pobudzone do świecenia tzn. promieniowanie elektromagnetyczne w zakresie widzialnym lub w podczerwieni i nadfiolecie (liniowe, pasmowe, ciągłe), b) widma absorpcyjne, które obserwujemy, gdy na drodze światła znajdzie się ciało, np. ciecz, gaz, które pochłania promieniowanie elektromagnetyczne o określonych długościach fali l. Wówczas z widma żródła zostają wycięte charakterystyczne linie lub całe pasma absorpcyjne (prążki Fraunhofera).

5. Analiza widmowa.

Polega na stwierdzeniu w widmie obecności linii charakterystycznych dla danego pierwiastka. Ze względu na bliskość linii należących do różnych pierwiastków, obserwuje się zwykle powiększone widmo na odpowiednim ekranie. Do tego stosuje się spektroprojektory. W analizie widmowej ilościowej chodzi nie tylko o znalezienie linii widmowych, lecz i o pomiar ich natężenia.W przypadku, gdy źródłem światła są gazy jednoatomowe, widmo składa się z pojedynczych prążków barwnych, których ilość i położenie jest inne dla każdego gazu.Gazy w cząsteczkach dwu- i wieloatomowych dają widma pasmowe, w których nie występują pojedyncze linie o określonej jednej tylko długości fali, lecz pasma na przemian jasne i ciemne.

6. Serie widmowe wodoru.

Spośród istniejących serii widmowych wodoru należy rozróżnić trzy najważniejsze: serię Lymana, serię Balmera, serię Paschena. Każda z serii ma regularną budowę. Linie zgęszczają się w kierunku granicy serii, którą jest linia o najkrótszej długości fali w danej serii.

7. Energia jonizacji.

Energia wiązania lub energia wiążąca elektronu z jądrem jest opisana przez wzór: ,

gdzie: n - liczba kwantowa

h - stała Plancka

n = 1,2,3,..., z równania tego otrzymujemy bezpośrednio wartości energii dozwolonych stanów stacjonarnych.

WZORY:

Wzór Plancka:

h - stała Plancka = 6,62 * 10-27 erg * sek.

c - prędkość świała = 2,9979 * 1010 cm/sek.

K - stała Bolzmanna = 1, 38 * 10-16 erg/stopień

l - długość fali

T - temperatura bezwzględna ciała

e = 2. 718

Wzór Plancka daje rozkład natężeń w widmie promieniowania czarnego.

Wzór Balmera-Rydberga: dla atomu H (częstotliwość emitowanego lub pochłanianego promieniowania przez atom wodoru).

R - stała Rydberga = 10967758 m-1

gdy n=1, s=2,3,4,... -seria Lymana

gdy n=2, s=3,4,5,... -seria Balmera

gdy n=3, s=4,5,6,... -seria Paschena

gdy n=4, s=5,6,7,... -seria Bracketta

PROBLEMY:

1. Wielkość dQ/dl, zwana dyspersją kątową D siatki dyfrakcyjnej, jest wynikiem pomiaru odległości kątowej dwu linii utworzonych przez dwie padające monochromatyczne fale, których długości fal mało się od siebie różnią. D = dQ / dl = m / d cosQ ; gdzie m - rząd widma danego maximum głównego, Q - kąt padania wiązki światła na soczewkę spektroskopu, d - stała siatki dyfrakcyjnej. Zdolność rozdzielczą liczymy ze wzoru R = N*m, gdzie N - całkowita ilość nacięć, m - rząd widma.

2. Ponieważ jak łatwo wykazać badając rozszczepione światła z różnych źródeł poza dziedziną widzialną dla oka widmo takie zawiera jeszcze promienie dla oka niewidzialne. Tak więc seria Lymana leżąca w dalekim nadfiolecie jak i seria Paschena leżąca w podczerwieni są niewidzialne dla oka ludzkiego. Seria Balmera jest dla oka ludzkiego widzialna.

3. Klasyczna teoria elektromagnetyczna przewiduje, że przyspieszane ładunki wypromieniowują energię. Moglibyśmy się spodziewać, że częstość elektronu, a więc także częstość wysyłanego promieniowania będzie zmieniać się w sposób ciągły w miarę ubywania energii. Tego przewidywania teorii klasycznej nie można pogodzić z istnieniem ostrych linii widmowych. Tak więc fizyka klasyczna nie może wyjaśnić ani wodorowego, ani żadnego innego widma. Bohr uniknął tej trudności zakładając, że podobnie jak oscylatory Plancka - atom wodoru może znajdować się jedynie w pewnych określonych stanach stacjonarnych, w których nie wypromieniowuje energii. Wypromieniowanie następuje tylko wtedy, gdy atom przechodzi z jednego stanu, o energii Ek , do innego stanu o niższej energii Ej . Możemy to zapisać w postaci równania: h n= Ek - Ej , gdzie hn oznacza kwant energii uniesionej przez foton, który jest w czasie przejścia wypromieniowany z atomu.

4. Z faktu, że w teorii Bohra dla orbit wodorowych energia potencjalna jest ujemna i większa co do wartości od energii kinetycznej, wynika jak sądzę to, że elektron krąży po kołowych orbitach, wokół pojedynczego jądra (protonu) i nie "wyskakuje" z tych orbit.

APARATURA:

1. W dzisiejszej technice labolatoryjnej zamiast spektroskopów stosuje się spektrografy, w których obserwacja wizualna zastąpiona została fotograficzną lub fotoelektryczną. Spektrografy nie mają dodatkowej lunetki ze skalą. Cały przyrząd umieszczony jest w odpowiedniej osłonie metalowej, zamiast lunetki obserwacyjnej jest kaseta fotograficzna, w której umieszczamy kliszę w ten sposób, aby widmo utworzyło się na światłoczułej emulsji. Ustawienie spektrografu osiąga się zwykle metodą prób. Pryzmat ustawiamy tak, aby promienie odpowiadające środkowi widma doznawały najmniejszego odchylenia. Wiązki światła biegnące tak, by doznawać najmniejszego odchylenia, dają najostrzejsze obrazy szczeliny.

2. Induktor Rumkorffa - cewka indukcyjna Rumkorffa; rodzaj transformatora do otrzymywania wysokiego napięcia przy zasilaniu uzwojenia pierwotnego prądem przerywanym. I. R. składa się z dwóch uzwojeń: pierwotnego i wtórnego o bardzo dużej liczbie zwojów cienkiego drutu umieszczonych na rdzeniu . W obwodzie pierwotnym znajduje się źródło napięcia stałego i elektromagnetyczny przerywacz prądu . Po zamknięciu klucza następuje przepływ prądu i namagnesowanie rdzenia. Kotwiczka przerywacza zostaje przyciągnięta, co powoduje przerwanie styku ze śrubą i przerwanie prądu. Rdzeń ulega rozmagnesowaniu, przerywacz na skutek sprężystości płytki wraca do położenia wyjściowego, zamykając ponownie obwód pierwotny i proces powtarza się. Częstość przerw można w pewnym zakresie regulować zmianą odległości kotwiczki od rdzenia. Kondensator ma za zadanie zmniejszenie iskrzenia przerywacza. W chwili zamykania i otwierania obwodu pierwotnego w uzwojeniu wtórnym powstają (na skutek indukcji) impulsy sił elektromotorycznych.

WYNIKI POMIARÓW UZYSKANE W ĆWICZENIU:

LINIE WIDMOWE HELU

Nr linii	Położenie	Jasność i barwa linii
1
2
3
4
5
6
7
8
9

LINIE WIDMOWE WODORU

Nr linii	Położenie	Barwa linii
1
2
3

promień

odbity

promień

padający

normalna

promień

załamany

---