Контрольные вопросы

1. Что называется внешним фотоэффектом? При каком условии он возникает? Как записывается уравнение фотоэффекта в квантовой теории?

2. Как формулируются законы внешнего фотоэффекта? Как можно объяснить эти законы на основе квантовой теории?

3. Что называется фотоэлементом? Чем отличается вакуумный фотоэлемент от газонаполненного?

4. Что называется интегральной чувствительностью фотоэлемента? Что она характеризует?

5. Что называется вольт-амперной характеристикой фотоэлемента? Как она изменяется с увеличением освещенности катода при  = const?

6. Как будет изменяться вольт-амперная при уменьшении частоты, но при неизменном световом потоке (Ф = const)?

7. Что называется световой характеристикой фотоэлемента? Как меняется световая характеристика при увеличении напряжения между анодом и катодом при постоянном световом потоке?

8. Как, используя световые характеристики, определить интегральную чувствительность фотоэлемента? Зависит ли значение  от выбора точек 1 и 2 на кривой (рис. 40)? Зависит ли  от напряжения в цепи фотоэлемента?

9. Какой вид будет иметь график зависимости величины запирающего напряжения U₀ от частоты света , падающего на металл? Как изменится ход графика, если взять металл с большей работой выхода?

10.«Красная граница» фотоэффекта для калия соответствует длине волны 580 нм. Какова минимальная энергия кванта, необходимая для освобождения фотоэлектронов из калия? Чему равна работа выхода электронов из калия?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №8

ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ В СПЕКТРЕ

ИЗЛУЧЕНИЯ АТОМОВ ВОДОРОДА

Цель работы: а) градиуровка спектрального прибора (спектроскопа или монохроматора);

б) определение длин волн спектральных линий атомов водорода;

в) определение постоянной Ридберга

Оборудование: спектроскоп (или монохроматор); набор газоразрядных трубок для градуировки (эталонные источники) и трубка с водородом; высоковольтный индуктор

Спектр излучения разреженных газов является линейчатым, т.е. он состоит из пространственно разделенных спектральных линий. Для каждого вещества распределение спектральных линий вполне определенное. Например, спектральные линии в спектре излучения неона расположены в основном в длинноволновой части видимого спектра (красные, оранжевые линии), а у криптона линии смещены, наоборот, ближе к коротковолновой части спектра (зеленые, голубые линии).

Спектр излучения – это важная характеристика вещества. По спектрам можно установить, например, химический состав смеси газов, температуру тела и т.д.

Формула Бальмера-Ридберга позволяет объяснять образование спектральных линий в спектре излучения атомов водорода.

(8-1)

где n = 1,2,3 … - главнее квантовые числа, определяющие энергию стационарных состояний электронов в атоме (Е_n  1/n²); i = 1,2,3, … - номер спектральной серии (фиксированное число для данной серии).

Например, для видимой части оптического спектра в серии Бальмера число i = 2, а n =3, 4, 5, …, 10 (всего наблюдается 8 спектральных линий); для ультрафиолетовой части спектра (серия Лаймана) число i = 1; n = 2,3,4; в инфракрасной части спектра обнаружено 3 спектральных серии: i = 3 (серия Пашена); i = 4 (серия Пфунда) и i = 5 (серия Брекетта).

С учетом выше сказанного, формула Бальмера-Ридберга (8-1) для видимой части спектра примет вид:

(8-2)

где R – постоянная Ридберга (R  1,110⁷м^-1); n = 3,4,5,…,10.

Первые 4 спектральные линии серии Бальмера (n = 3,4,5,6) наблюдаются в данной работе. В табл. 26 (прилож. VI) приведены значения длин волн излучения атомов водорода (серия Бальмера).

Граница серии определяется при . Для серии Бальмера эта граница соответствует длине волны _min = 4/R = 364,6 нм.

Рис. 42

На рис. 42 приведена зависимость длины волны  от главного квантового числа n в серии Бальмера. Существование границы серии _min объясняет наличие конечного числа линий в каждой серии.

Для качественного анализа спектров излучения газов применяют спектральные приборы (спектроскоп, монохроматор и др.), назначение которых пространственно разделить монохроматические волны по их длинам. Принципиальная схема спектрального аппарата состоит из трех частей: а) коллиматора, служащего для получения параллельного пучка света; б) диспергирующей системы (призмы или дифракционной решетки), разлагающей белый свет в спектр; в) зрительной трубы для наблюдения спектра.

Рис. 43

На рис. 43 приведена принципиальная схема призменного спектроскопа, а на рис. 44 – оптическая схема монохроматора.

Основной частью спектроскопа служит трехгранная призма Р (рис. 43). Параллельный пучок формируется в коллиматоре 1. Далее этот пучок, пройдя призму Р, разлагается в спектр. В зрительной трубе 2 в фокальной плоскости линзы Л₂ расположена полупрозрачная матовая пластинка, на которой фокусируются лучи с различной длиной волны в разных точках. Полученный спектр рассматриваются через окуляр Л₃, как в лупу.

Спектроскоп оснащен микровинтом, шаг которорого равен 1 мм. Цена деления шкалы барабана равна 1/50 = 0,02 мм/дел. Вращая микровинт, поворачивают призму до совмещения визирной линии с соответствующей линией в спектре. Таким образом, можно просмотреть весь спектр, переходя от одной линии к другой и зафиксировать положения линий в спектре.

Рис. 44

Назначение монохроматора аналогично спектроскопу: он позволяет пространственно разделить спектральные линии и вывести их в поле зрения для наблюдения. Диспергирующей системой служит дифракционная решетка, представляющая сложную систему линз (рис.44). Глядя в окуляр и вращая ручку механического счетчика поворачивают зеркало Z₂, вводят в поле зрения какую-либо спектральную линию. По счетчику можно определить соответствующую длину волны (в нм).

Как спектроскоп, так и монохроматор требует предварительной градуировки, которая производится по эталонному источнику с известными длинами волн. В табл. 27 (прилож. VII) приведены длины волн некоторых источников излучения, используемых в качестве эталонных источников.

Градуировка спектрального прибора сводится к установлению соответствия между длиной волны эталонного источника (_эт): а) положению спектральной линии в поле зрения (К, мм) – в случае спектроскопа; б) длине волны, отсчитываемой по шкале счетчика длин волн монохроматора (_к, нм).

Рис. 45

Установив соответствие _эт(К) или _эт(_к) в зависимости от используемого прибора, строят градуировочный график (рис. 45), который затем используют для определения длины волны исследуемой спектральной линии. Например, если К = 6,25 мм, то искомая длина волны будет равна  = 575 нм (рис.45, пунктирные линии).

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1

Рис. 46

. По указанию преподавателя выберите эталонные источники, по возможности, охватывающие весь диапазон видимого света (от красного до фиолетового). Запишите в табл. 15 длины волн спектральных линий эталонных источников (с указанием их цвета) из табл. 27 (прилож.VII).

2. Проверьте схему соединения приборов (рис. 46), где 1 - высоковольтный индуктор; 2 – выпрямитель. Откинув заднюю крышку индуктора 1, вставьте одну из эталонных трубок. Закрыв крышку, с разрешения преподавателя включите установку в есть (220 В). Должен появиться характерный для газового разряда звук и в прорези индуктора – свечение.

3. Входную щель спектрального прибора (спектроскопа или монохроматора) установите вплотную к прорези в корпусе индуктора.

4. Вращая барабан отсчетного механизма и глядя в окуляр прибора, просмотрите весь спектр излучении данного источника. По результатам визуального наблюдения сделайте вывод о характере наблюдаемого спектра, о расположении линий в исследуемом спектре. Изобразите схематически наблюдаемый спектр (в цвете).

5. Установите визирную линию в середине первой спектральной линии в спектре исследуемого эталонного источника (табл.15); зафиксируйте ее положение, записав в табл. 15 либо показания барабана спектроскопа (К, мм), либо показания счетчика длин волн монохроматора (_к,нм).

6. Вращая дальше барабан отсчетного механизма, зафиксируйте положение всех спектральных линий данного эталонного источника, записывая показания приборов в табл. 15.

ВНИМАНИЕ! ВЫСОКОЕ НАПРЯЖЕНИЕ!

Замену трубок производите при отключенном индукторе.

7. Повторите опыты (п.п. 2-6) с другим эталонным источником. Изобразите схематически спектр второго эталонного источника (в цвете), расположив его под первой схемой. Сравните спектры обоих источников. Сделайте выводы.

8. Запишите в табл. 15, продолжив ее вниз, длины волн спектральных линий второго источника. Результаты измерений К (или _к) занесите в табл. 15.

9. Постройте градуировочный график зависимости К() или _к() по всем полученным точкам, проводя плавную линию, следуя ходу экспериментальных точек (рис. 45). При нанесении точек на чертеж используйте разные значки (точки и крестики) для разных эталонных источников.

10. Отключите установку от сети. Произведите замену предыдущей трубки на трубку с водородом. Включив установку в сеть, произведите опыты по определению положения спектральных линий в спектре водорода, записывая данные в табл. 16.

В силу малой разрешающей способности спектроскопа зеленая и голубая линии сливаются в одну. Поэтому при наблюдении спектра увидите не 4, а 3 линии: красную (n = 3), зелено-голубую (n = 4) и фиолетовую (n = 6).

11. Воспользовавшись градуировочным графиком К = К() (или _к()), определите длины волн спектральных линий в спектре излучения атомов водорода по найденным значениям К_i (или _кi). Результаты занесите в табл. 16. Сравните полученные резльтаты с табличными табл. 26 (прилож. VI) Табличное значение _табл для зелено-голубой линии примите равным среднему значению . Сделайте вывод.

12. Выразив постоянную Ридберга R из формулы (8-2):

, (8-3)

рассчитайте R_i для каждого опыта. Результаты занесите в табл. 16. Найдите среднее значении <R> и сравните его с табличным (R_табл. = 1,09710⁷ м^-1). Сделайте вывод.

13. Оцените случайную погрешность R по формуле Стьюдента и запишите результат в виде: R = <R>  R. Рассчитайте относительную погрешность эксперимента.

Таблица 15

Источник излучения	Спектральные линии		К, мм (или к, нм)
	Цвет	эт, нм

Таблица 16

Спектральные линии	n	К, мм (или к, нм)	эксп, нм	 табл, нм	Rх10^7, м^-1
Красная, Н Зеленая, Н Голубая, Н Фиолетовая, Н
Среднее значение