V. Содержание отчета

Отчет по работе составляется в произвольной форме и должен содержать:

1.Краткое описание работы.

2. Результаты измерений.

3. Графики.

4. Выводы.

VI. Контрольные вопросы

1. Что такое световой поток Ф? Сила света I? Освещенность Е?

2. Какими единицами измеряются световой поток, сила света и освещенность?

3. Сформулируйте законы освещенности.

4. Как при помощи фотоэлемента проверить законы освещенности?

5. Внешний фотоэффект и его закономерности. Фото ЭДС.

6. Применение фотоэлементов.

7. Что такое светимость?

8. Как светимость связана с освещенностью ?

9. Что такое яркость ?

10. Как яркость связана с освещенностью ?

11. Найдите освещенность на поверхности Земли, вызываемую нормально падающим солнечными лучами. Яркость солнца равна 1,2·10⁹ кд/м².

12. На листе белой бумаги размером 2030 см нормально к поверхности падает световой поток 120 лм. Найти освещенность, светимость и яркость бумажного листа, если коэффициент рассеяния равен 0,75.

13. Лист бумаги размером 1030 см освещается светом от лампы силой 100 кд, причем на него падает 0,5 % всего посылаемого лампой света. Найдите освещенность листа бумаги.

14. Свет от электрической лампы 200 кд падает под углом 45⁰ на рабочее место, его освещенность равна 141 лк. Найдите, на каком расстоянии от рабочего места находится лампа?

3.4 Изучение сериальных закономерностей в спектре водорода

Цель работы: Экспериментальная проверка сериальной формулы для атома водорода.

I. Теоретическое введение

Набор частот (или длин волн) излучения, которое испускается данным телом, называется его спектром. Спектры являются характеристикой атомов и молекул. Они бывают сплошными, полосатыми и линейчатыми. Нагретые твердые тела испускают сплошной спектр. Свободные, не взаимодействующие между собой, атомы имеют линейчатый спектр. Линейчатые спектры отличаются друг от друга числом, местом расположения и интенсивностью линий. Линии объединяются в группы- серии, которые располагаются как в видимой, так и в невидимой части спектра. Линейчатый спектр характеризует явления, происходящие внутри атома.

Молекулы испускают полосатый спектр - они испускают определенные полосы или группы густо расположенных линий, поэтому молекулярные спектры сложнее атомных. Спектр вещества является одной из его важнейших характеристик. В природе не существует двух веществ, дающих одинаковые спектры. Этот факт лежит в основе спектрального анализа.

Одной из важнейших закономерностей, известных в строении атомных спектров, является сериальное строение этих спектров. Сериальные закономерности представляют собой яркое проявление квантовых свойств излучающих атомных систем. Спектральные линии атомного спектра элемента могут быть объединены в определенные, закономерно построенные группы или в так называемые серии. Длины волн всех линий, принадлежащих к одной и той же серии, закономерно связаны между собой.

В наиболее простой форме сериальные закономерности проявляются в спектре одноэлектронного атома водорода, для которого они и были впервые открыты.

Теория водородного спектра основана на постулатах Бора.

1 .Электрон может вращаться вокруг ядра только по таким орбитам, на которых момент импульса электрона равен целому кратному от некоторого числа h/2π, то есть

mV_nr_n=n (h/2π) =n ћ (1)

где m – масса электрона

V_n- скорость электрона на n-ой орбите,

r_n - радиус n-ой орбиты электрона,

h - постоянная Планка,

n - любое целое число (1,2,3,...), называемое главным квантовым числом.

Данный постулат определяет условие стационарности или квантованности орбит. Сущность этого постулата заключается в том, что стационарными орбитами называются такие орбиты, находясь на которых, электрон не излучает энергии. Таким образом, условие стационарности орбит может быть сформулировано как квантовое условие, по которому момент импульса электрона на n-ой стационарной орбите должен быть кратен приведенной постоянной Планка ћ = h/2π

Второй постулат о квантовании, излучаемой атомом энергии, относится к механизму излучения.

Согласно этому постулату атом излучает энергию только квантами и притом всякий раз, когда происходит переход электрона с одной стационарной орбиты на другую стационарную орбиту, но с меньшей энергией.

Математически этот постулат записывается так:

hν_n→k=E_n-E_k (2)

где n и k – номера орбит, дозволенных первым постулатом Бора, причем n > k

E_n - энергия атома до излучения,

E_k - энергия атома после излучения,

ν_n→k - частота излучения атома при переходе электрона с n-ой орбиты на k-ю орбиту,

Из этого постулата следует, что атом может обладать - некоторы­ми дискретными значениями энергии. Он излучает не все частоты, а только строго определенные, характерные для данного элемента (дискретный ряд частот), почему и спектр линейчатый, является прерывистым, состоящим из отдельных цветных линий, расположенных на темном фоне. Невозбужденный атом находится в стационарном состоянии, если его электрон пребывает на нормальной орбите. Если атом получает запас энергии извне (через нагревание или столкновение с быстро движущейся частицей), то он возбуждается и его электроны переходят на другие орбиты с большим радиусом, и весь атом находится на более высоком энергетическом уровне. Это состояние атома неустойчиво.

Как только прекращается поглощение энергии извне, его элек­троны возвращаются с удаленных орбит на нормальные - устой­чивые, расположенные ближе к ядру, энергетический уровень атома понижается.

Избыток энергии выделяется в окружающее пространство в виде кванта монохроматического излучения hν, что доказывается вторым постулатом Бора.

Применяя постулаты Бора, можно получить для водородного атома следующую формулу:

(3)

Преобразуем эту формулу, учитывая что ν=с/λ,

с - скорость света, λ длина волны и вводя понятие о волновом числе N , под которым принимают величину, обратную длине волны и характеризующую число волн, укладывающихся на длине в 1 см. будем иметь

или получаем

(4)

Множитель, стоящий перед скобкой называется постоянной Ридберга R=1,097·10⁷м^-1

где m- масса электрона, е- заряд электрона,

с- скорость света в вакууме, h - постоянная Планка

Таким образом, формула (4) для длин волн будет иметь вид:

(5)

Формула (5) называется спектральной или сериальной формулой.

Из теории Бора следует, что все линии спектра водорода, которые получаются при переходе электронов с любой орбиты на первую (k=1) представляют собой линии одной серии. Эта серия называется серией Лаймана, для которой k=1, а n=2,3,4,... Эта серия находится в ультрафиолетовой части спектра.

Линии спектра, получающиеся при переходе электронов на вторую орбиту k=2, а n=3,4,5,... составляют видимую серию, она носит название серии Бальмера. Эта серия и изучается в настоящей работе.

При переходе электронов на третью орбиту k=3, а n=4,5,... линии спектра носят название серии Пашена, которая лежит в инфракрасной области спектра.

При переводе электрона на четвертую орбитуk=4, а n=5,6,7,... получается серия Брэкета, которая лежит также в инфракрасной области спектра. При k =5, а n= 6,7,8,... это далекая инфракрасная серия Пфунда.

Установлено, что формула (5) дает значения для всех 29 известных длин волн водородного спектра, если давать значения от 2 до 31. Сериальные закономерности являются проявлением квантовых свойств, атомных излучающих систем. Как видно из формулы (4), волновое число любой спектральной серии можно получить, если взять разность двух чисел

(6)

Числа и называются спектральными термами.

Физический смысл термов в том, что они пропорциональны энер­гии атома. Систематическое изучение спектров ряда других элементов позволило установить закономерность в других веществах, причем

(7)

Формула (7) по виду похожа на формулу (4). Как видно отличие сводится к поправочным числам α и β, имеющим для водорода значения равные нулю. Наличие такой связи и закономерности открыло путь к спектральному анализу, который имеет большое значение в исследовании состава недоступных объектов, например; солнца, звезд и других небесных тел. На рис. 1 изображена схема уровней водорода.