<градуировка спектроскопа по спектру ртути. Определение постоянной Планка

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №86/92

ЛР № 86 ГРАДУИРОВКА СПЕКТРОСКОПА ПО СПЕКТРУ РТУТИ

Фамилия И.О. _________________   Группа __________   Дата ______

 

Введение и описание установки

Известно, что коэффициент преломления для лучей различной длины волны различен. Поэтому, если на стеклянную призму направить пучок лучей  неодинаковых длин волн, то после прохождения через призму лучи выйдут под различными углами. Чем короче длина волны, тем больше отклоняются лучи.

Так,  при разложении  белого луча сильнее всего отклоняются фиолетовые лучи, обладающие наиболее короткой длиной волны, меньше всего отклоняются красные лучи, обладающие наибольшей длиной волны (см. рис. 44). Различная преломляемость лучей разного цвета позволяет разложить сложный (белый) свет на его монохроматические составляющие, а само явление, обусловленное зависимостью коэффициента преломления вещества от длины волны световой волны, носит название  дисперсии света.

Как известно, раскаленные твердые и жидкие тела, а также газы большой плотности испускают сплошные  и линейчатые спектры.

Полосатые спектры испускаются возбужденными молекулами газа, линейчатые – атомами. Обычно, полосатые спектры  испускаются не  очень разряженными, а линейчатые – очень разряженными газами или парами.

Все металлы в газообразном состоянии также дают линейчатые спектры. Каждый химический элемент испускает типичный для него спектр. Для анализа спектров служат спектральные приборы: спектроскопы и спектрографы.

Спектроскопом называется прибор, служащий для пространственного разделения лучей различных длин  волн, причем наблюдение полученного спектра в целом или отдельных спектральных линий   производится визуально.

Спектрографом называется  прибор, предназначенный для получения спектрограмм, т.е. фотографического изображения спектра.

Устройство спектроскопа и его оптическая схема представлены на рис. 45 и 45а.

Основной частью спектроскопа является призма Р, которая разлагает в спектр пучок параллельных лучей  немонохроматического света. Левая часть  прибора – коллиматорная труба А состоит из узкой щели S1 и линзы L1. Перед щелью S1 помешается источник света S. Назначение коллиматора – давать  параллельный пучок света, падающий на призму. Для этого щель располагается в главной фокальной плоскости линзы L1. Так как лучи  разной длины   волны отклоняются призмой на разные углы, то из призмы выходят пучки различных направлений.

С помощью второй линзы L2 параллельные пучки собираются в различных точках ее фокальной плоскости. В результате на экран (или на фотопленку) проектируется ряд изображений входной щели. Если источник света излучает волны всевозожных длин  (например, лампочка  накаливания), то все изображения входной щели в различных лучах  на экране непосредственно примыкают друг к другу, то есть получается сплошной спектр. При излучении же источником света волн определенных длин (например, разрядные газовые трубки) изображения щели коллиматора окажутся пространственно разделенными и, в результате получится линейчатый спектр.

В фокальной плоскости линзы L2 устанавливается окуляр для  визуального наблюдения , в спектрографе вместо него – фотографическая пластинка. В  фокальной плоскости окуляра натянута нить , Если в плоскости ПП1 установить  щель S1 то сквозь нее можно будет наблюдать спектр. Проворачивая  трубку В посредством отсчетного приспособления К, можно нить окуляра установить на середину изображения щели, окрашенной в тот или иной цвет. Таким образом, при неизменном положении коллиматора и призмы, каждому показанию отсчетного приспособления соответствует определенная длина волны света.

Градуировку спектроскопа можно производить по длинам волн двух элементов (водорода, гелия). Длины волн указанных элементов брать  по  таблице.

В данной работе испытуемым веществом являются пары ртути.

Порядок выполнения работы

1.    Включить ртутную лампу ПРК-4 в сеть напряжением 220 В. Установить щель коллиматора перед окошком ртутной лампы и, передвигая зрительную трубу при помощи отсчетного механизма, увидеть в зрительную трубу спектр ртути.

2.    Перемещая окуляр зрительной трубы, получить в поле зрения четкое изображение отсчетной нити.

3.    Четкое изображение спектра можно получить  изменением расстояния между щелью и линзой коллиматора (изменением положения коллиматора). Щель следует сделать по возможности малой.

4.    Поворачивая зрительную трубу с помощью отсчетного механизма, установить отсчетную нить поочередно на каждую линию спектра, начиная с крайней красной, и  записывать показания отсчетного механизма, соответствующие каждому положению нити.

5.    Зная из таблицы длины волн (λ) спектральных линий ртути и показания отсчетного механизма n, построить кривую n = ƒ(λ).

 

ЛР № 92 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОСТОЯННОЙ ПЛАНКА

Введение

Как известно, свет представляет собой электромагнитные волны, излучаемые атомами и молекулами вещества. Электромагнитная теория света хорошо объяснила ряд явлений, наблюдаемых при распространении света, такие как интерференция, дифракция, поляризация и дисперсия. Однако, объяснить законы излучения и поглощения света электромагнитная теория не могла. Полученные экспериментально законы излучения Стефана-Больцмана, Вина, Кирхгофа не удалось объяснить теоретически.

В 1900 г. немецкий физик Макс Планк для объяснения и вывода законов излучения высказал гипотезу о том, что излучение и поглощение световой энергии электромагнитного поля происходит не непрерывно, а осуществляется отдельными порциями, как их назвал Планк – квантами.

Кванты света – это частицы энергии электромагнитного поля, значение энергии такой частицы определяется формулой

Е = h · ν,                                                    (1)

где Е – квант энергии; h – постоянная Планка; ν - частота колебаний  электромагнитной световой волны.

Так как частота  равна скорости света, деленной на длину волны

 , то                                              (2)

Из формулы  (2) определяется постоянная Планка h. Размерность  постоянной Планка получается из соотношения

 ,                                                          (3)

.

Постоянная Планка h называется квантом действия.

Физический смысл кванта действия может быть получен из сопоставления понятия импульса силы, равного произведению силы на время. В нашем определении размерность величины кванта действия есть произведение энергии на время, поэтому можно было бы назвать величину кванта действия импульсом в периодическом процессе.

Определение постоянной Планка в данной работе сводится к определению длины волны, соответствующей границе спектра поглощения  двухромовокислого калия K2Cr2O7 .

Согласно теории электролитической диссоциации, молекулы K2Cr2O7 в растворе диссоциируют на катионы и анионы кислотного остатка, т.е.

K2Cr2O7  ↔ 2К +Cr2O7-2.

В свою очередь анионы Cr2O7-2, как показывают химические исследования, за счет энергии поглощенных фотонов коротковолновой части видимого спектра распадаются на анионы CrO4-2 и хромовые ангидриты CrO3-2.

Происходящая при этом эндотермическая реакция может быть записана в виде:[1]

Cr2O7-2 + Е = CrO3-2 + CrO4-2,

где Е – минимальная или пороговая энергия фотона, поглощенная анионами.

Очевидно, пороговая энергия фотона равна минимальной энергии необходимой для осуществления эндотермической реакции.

Опыты показывают, что эта энергия равна Е = 3,672·10-19Дж.

 

Длина волны λ, которой соответствует  пороговая  энергия Е, определяет границу спектра поглощения раствора двухромовокислого калия.

Определение граничной длины волны λ (максимальной длины волны, которая еще поглощается водным раствором K2Cr2O7 ) производится с помощью спектроскопа. Спектроскоп следует предварительно проградуировать, что делается в         ЛР № 86.

По известным значениям Е и с=3·108 , определив граничную длину волны, можно определить постоянную Планка h по формуле (3).

 

Описание установки

Установка, с помощью которой выполнятся данная работа (рис. 56), состоит из спектроскопа Сп, ртутной кварцевой лампы ПРК-4, кюветки К с водным раствором K2Cr2O7, которую можно вращать вокруг вертикальной оси О1, лампы накаливания и трансформатора. Тр, питающего лампу ПРК-4. Лампы ПРК-4 и накаливания размещены в металлических футлярах Ф1 и Ф2 с окошечками для выхода излучения.

Для случая градуировки спектроскопа и наблюдения граничной длины волны спектра поглощения, спектроскоп можно устанавливать в соответствующее положение путем вращения вокруг его вертикальной оси О2.

Все указанные детали установки смонтированы на общей панели.

Порядок выполнения работы

1.    Включить тумблер Т в положение ПРК-4 и произвести градуирование шкалы спектроскопа (см. работу №86).

2.    Определить граничную длину волны  спектра поглощения, для чего:

a.       коллиматор спектроскопа направить на нить лампы накаливания, тумблер Т включить в положение Л-1;

b.       вращая зрительную трубу спектроскопа с помощью барабана Б, получить в поле зрения окуляра зрительной трубы сплошной спектр;

c.       повернуть кювету с раствором K2Cr2O7 так, чтобы прозрачные  грани ее были перпендикулярны коллиматорной трубе, при этом коротковолновая часть спектра поглотится;

d.       по шкале спектроскопа определить положение границы области поглощения со стороны длинных волн. Измерения произвести три раза и взять среднее значение. Затем по кривой дисперсии (градуировочной кривой) спектроскопа определить λ;

e.       по формуле (3) найти постоянную Планка.

 

 

 

 



[1] Эндотермическая реакция – это реакция, протекающая с поглощением энергии.