Описание установки

Спектр испускания натрия изучается с помощью установки, представленной на рис. 2. Свет от лампы 1 с парами натрия направляется на щель 2 спектрографа ИСП –51. Щель имеет микрометрический винт, позволяющий изменять ее ширину. Щель 2 расположена в фокусе линзы 3 и входит в подвижную часть прибора – коллиматор. Вращая маховичок 4, коллиматор можно перемещать вдоль оптической оси. Пройдя линзу 3, свет параллельным пучком падает на систему призм 5 и разлагается в спектр. Линзы 6 направляют спектр в область наблюдения, где находится стеклянная пластинка 7 со стрелкой – указателем. Спектр наблюдают через линзу-окуляр 8. Пластинку с указателем можно перемещать вдоль оптической оси, вращая маховичок 9. В конце зрительной трубы имеется заслонка 10, прерывающая световой поток. В рабочем положении заслонка должна быть открыта.

Спектр исследуют, вводя на середину поля зрения нужную область спектра. Для этого вращают рукоятку 11, соединенную с призмами 5. Рукоятка имеет шкалу поворотов, нанесенную на два барабана 12 и 13. Повороты определяются в относительных единицах. Шкала на барабане 12 имеет 100 делений. Эти 100 делений соответствуют 1 делению шкалы другого барабана 13. При наличии сдвига между делениями шкал на разных барабанах необходимо тормозящими кнопками добиться совпадения шкалы барабана 12 с каким-либо делением шкалы барабана 13.

Рис. 2

Таблица 3

Спектр испускания неона

Номер линии	Цвет и положение спектральной линии	Частота, 10^12 Гц	Интенсивность, отн.ед.
1	Красная, наиболее яркая среди красных	469	20
2	Красно-оранжевая, левая из двух близких линий	490	10
3	Желтая, самая яркая линия	515	20
4	Зеленая, левая из двух ярких линий	556	20
5	Зеленая, правая из двух ярких линий (дублетная)	563	10
6	Зеленая, правая из пяти равноудаленных линий	596	5
7	Сине-зеленая	621	10
8	Синяя	645	3
9	Сине-фиолетовая	685	1,5
10	Сине-фиолетовая	701	1
11	Сине-фиолетовая	711	1

Примечание. Для облегчения наблюдения красной линии № 1, красно-оранжевой линии № 2 и желтой линии № 3 вся красно-желтая часть спектра неона представлена на отдельном рис. 3, приведенном на лабораторном стенде.

Стрелка-указатель линий и картина спектра должны наблюдаться одинаково четко. Для этого устанавливают линзу 8 на наблюдение стрелки. Затем вращая маховичок 4, добиваются её резкого изображения. Шкалу поворотов рукояти следует проградуировать в частотах. Для этого используется хорошо изученный спектр излучения неона. Описание спектра приведено в табл. 3, фрагмент спектра – на рис. 3, представленном на лабораторном стенде. Для градуирования необходимо определить, какому значению шкалы поворотов соответствует каждая линия спектра неона, описанная в табл. 3.

Порядок выполнения работы

Задание 1. Общее изучение спектра натрия

1. Установить на оптическом рельсе неоновую лампу и направить ее излучение на входную щель спектрографа. Установить минимальную ширину щели. Наблюдая через линзу 8 спектр неона, совместить со стрелкой-указателем каждую из линий неона, описанных в табл. 3. Показания шкалы барабанов 12, 13 и значения частот для каждой линии из табл. 3 занести в табл. 4. Переходя от ярких красных, оранжевых и желтых линий к слабым в зеленой и синей частях спектра, следует постепенно увеличивать ширину щели.

Таблица 4

Номер линии спектра неона, её цвет	Частота ν, 10^12 Гц	Угол поворота φ, отн. ед.

2. Пользуясь данными табл. 4, на миллиметровой бумаге построить график зависимости угла поворота φ от частоты ν. При построении графика придерживаться следующих масштабов. На оси «частота» 1 см должен соответствовать 10∙10¹² Гц, на оси «угол поворота» - 100 делениям барабана 12.

3. Убрать неоновую лампу и включить натриевую. Совместить с указателем все линии исследуемого спектра натрия. При наблюдении дублетов следует совмещать с указателем промежуток между линиями дублета. Определить показания шкалы для каждого дублета. С помощью построенного градуировочного графика найти усредненные частоты дублетов. Результаты занести в табл. 5.

4. По формулам (3) и (4) с помощью табл. 2 рассчитать частоты трех линий серии – «главной», «резкой» и «диффузной». Сопоставляя измеренные и рассчитанные значения частот, определить квантовые числа верхнего и нижнего уровней для переходов наблюдаемых линий спектра натрия. Результаты также занести в табл. 5.

Задание 2. Определение энергии спин-орбитального взаимодействия.

1. Включить натриевую лампу и совместить с указателем линии ярко красного дублета спектра натрия, с которого начинается «резкая» серия. Определить показания шкалы для каждой из двух линий дублета. Зная усредненную частоту этого дублета, найти на рис. 3 в спектре неона линии ближайшие по частоте к красному дублету натрия слева и справа.

2. Установить неоновую лампу. Совместить с указателем эти линии в наблюдаемом спектре неона и определить показания шкалы. Данные занести в табл. 4.

3. По этим данным построить градуировочный график в более крупном масштабе. На оси «частота» 1 см должен соответствовать 0.1∙10¹² Гц, на оси «угол поворота» – 1 делению шкалы барабана 12. По этому графику определить частоты ν₁ и ν₂ красного дублета.

4. По формуле (1) вычислить ΔЕ – энергию спин – орбитального взаимодействия. По формуле (5) рассчитать эту же энергию теоретически. Значения постоянной Планка и скорость света приведены к формуле (1), квантовые числа для красного дублета n = 3, l = 1.

5.Результаты занести в табл. 5

Таблица 5

Измеренные усредненные частоты дублетов, Гц	Цвет дуб-лета	Рассчитанные усредненные частоты дублетов, Гц	Квантовые числа верхнего уровня	Квантовые числа нижнего уровня	Серия	Dn, Гц	ΔЕ, Дж (экс-пери-мент)	ΔЕ, Дж (теоре-тичес-ки)

6. Изобразить в масштабе расположение уровней, переходы между которыми порождают красный дублет.