4. Порядок выполнения работы

В данной работе определяется показатель преломления жидкости и процентное содержание сахара в растворе.

1. Ознакомиться с конструкцией рефрактометра РПЛ-3.

2. Проверить установку нулевого отсчета шкалы прибора, для чего необходимо открыть верхнюю камеру, плоскости верхней и нижней камер промыть дистиллированной водой (можно спиртом) и досуха протереть чистой салфеткой. Затем, на плоскость измерительной призмы нанести две-три капли дистиллированной воды и закрыть верхнюю камеру. Рукоятку с окуляром опускают в нижнее положение и перемещают до тех пор, пока в поле зрения не появится граница светотени. Устранить окраску границы светотени поворотом винта дисперсионного компенсатора.

Затем поворачивают рукоятку окуляра, совмещая визирную линию сетки (три пунктирных штриха) с границей светотени, и производят отсчёт по шкале.

При правильной установке прибора на «нулевую» точку отсчета, граница светотени при 20°С должна быть совмещена с нулевым делением шкалы «0%», а также с делением n=1,33299 шкалы показателя преломления.

3. Произвести измерения с исследуемыми растворами.

Для проведения измерений открывают верхнюю камеру, досуха вытирают соприкасающиеся плоскости камер, на измерительную призму наносят две-три капли исследуемой жидкости и производят отсчёт после совмещения визирной линии с границей светотени.

Отсчёт нужно производить после закрытия камеры, через несколько минут для уравновешивания температурного режима.

Если измерения производятся при температуре, отличной от температуры 20°С, необходимо произвести пересчёт показаний на 20°С с учётом поправки на температуру по табл. 4.

4. Данные занести в табл. 3.

Таблица 3

Номер раствора	Температура раствора, t°С	Показатель преломления n	%-ная концентрация сахара (по прибору) С	%-ная концентрация сахара с поправкой на температуру Сt
1
2
3
4
5

5. Построить график зависимости n от С_t, откладывая по оси абсцисс С_t, а по оси ординат соответствующие значения показателя преломления n.

Контрольные вопросы

1. Сформулируйте законы преломления света.

2. Каков физический смысл абсолютного и относительного показателя преломления?

3. Какую зависимость между показателями преломления и скоростями распространения света устанавливает волновая теория?

4. Объясните явления предельного преломления и полного внутреннего отражения.

5. Объясните принцип действия рефрактометра.

ЛаборатОрная работа № 13 Исследование линейчатых спектров испускания

1. Цель работы: ознакомление с устройством спектроскопа и основами спектрального анализа. Градуировка спектроскопа. Исследование спектров испускания водорода.

2. Краткая теория

Спектры, испускания. Излучение света различными телами при их нагревании до высоких температур принято называть тепловым, или температурным излучением.

Если свет от раскалённого тела пропустить через призму, то на экране за призмой получим непрерывную цветную полосу, которая носит название непрерывного, или сплошного спектра испускания. Такой спектр получается, например, от раскалённой вольфрамовой нити лампы накаливания.

Если источником света являются нагретые разреженные газы или излучение, полученное при электрическом разряде в разреженном газе, то картина спектра существенно меняется: вместо непрерывно переходящих одна в другую цветных полос наблюдаются несколько цветных ярких линий, разделённых тёмными промежутками. Такие спектры называются линейчатыми. Линейчатые спектры испускания возникают в тех случаях, когда источником излучения служат отдельные атомы или ионы химических элементов, находящихся в газообразном состоянии.

Если источником излучения служат не атомы или ионы, а отдельные молекулы веществ, то получается, так называемый, полосатый спектр. По виду, полосатый спектр похож на линейчатый, однако, в полосатом спектре наблюдаются широкие цветные полосы на тёмном фоне.

Спектры, образуемые излучением нагретых тел или при электрическом разряде в разреженном газе, называются спектрами испускания, или эмиссионными спектрами.

Спектры поглощения. Если белый свет пропустить сквозь прозрачную среду: твёрдую, жидкую или газообразную, то вследствие поглощения средой некоторых длин волн в спектре белого света будут затемнены соответствующие участки (полосы) или линии, характерные для этой среды.

Совокупность тёмных линий или полос, образующихся в сплошном спектре белого света при прохождении его сквозь данную среду, называется спектром поглощения или абсорбционным спектром.

Согласно закону Кирхгофа, атомы поглощают излучения тех же длин волн, которые они испускают в возбуждённом состоянии, поэтому тёмные линии поглощения наблюдаются в тех же местах, где лежали бы линии спектра испускания.

Спектральный анализ. Спектры испускания и поглощения тесно связаны со строением атомов и молекул вещества. Спектр вещества является одной из важнейших его характеристик. В природе не существует двух разных веществ с одинаковым спектром. Поэтому по характеру спектра можно судить о природе и составе как простых, так и сложных веществ. Метод качественного и количественного (по интенсивности линий) определения состава вещества по его спектру называется спектральным анализом.

Основным преимуществом спектрального анализа перед химическим является то, что он может быть сделан с весьма незначительным количеством веществ, значительно меньшим, чем это требуется для химического анализа. Путём спектрального анализа может быть обнаружено присутствие в веществе примеси в количестве до г. Этим методом в своё время были открыты ряд редких элементов (рубидий, цезий и др.), встречающихся в природе в очень небольших количествах. Спектральный анализ позволил установить состав Солнца и других небесных тел.

Закономерности в атомных спектрах. Излучение невзаимодействующих друг с другом атомов состоит из отдельных спектральных линий, характерных для каждого химического элемента. Было замечено, что линии в атомных спектрах располагаются в строгом порядке, образуя группы или серии линий с определёнными длинами волн и интенсивностями. Отчетливее всего это обнаруживается в спектре простейшего атома — водорода.

В 1885г. преподаватель математики швейцарской высшей школы Бальмер вывел формулу, которая позволяла очень точно рассчитывать длины волн спектральных линий видимой области спектра водорода:

, (1)

где — константа;n — целое число, принимающее значения 3, 4, 5 и т. д.; .

Позднее в спектре испускания водорода были открыты и другие серии линий. В ультрафиолетовой области — серия Лаймана, в инфракрасной — серии Пашена, Брекета, Пфунда. В результате обобщения огромного экспериментального материала, а также теоретических исследований была выведена эмпирическая формула, описывающая все линии спектра водорода и называемая формулой Бальмера-Ридберга:

, (2)

где — постоянная Ридберга. При этом серии Лаймана соответствует значениеm=1, серии Больмера m=2, серии Пашена m=3 и т. д. При заданном число принимает все целочисленные значения, начиная с m+1.

Величина называется волновым числом, под которым в спектроскопии понимают число длин волн, укладывающихся на единицу длины.

Объяснение природы линейчатых спектров. Закономерности, наблюдаемые в атомных спектрах, долгое время оставались непонятыми. Спектр водорода был впервые объяснен теоретически Н. Бором. В основу своей теории Нильс Бор положил ядерную модель атома Резерфорда. Он предположил, что электроны движутся вокруг ядра (протона) по круговым орбитам. Согласно законам классической электродинамики электрон должен излучать электромагнитные волны и поэтому продолжительное его пребывание на орбите невозможно. Постепенно теряя свою энергию, электрон должен упасть на ядро. Кроме того, по мере приближения к ядру частота излучения электрона должна была бы непрерывно изменяться. Следовательно, спектр излучения атома водорода должен быть непрерывным, а не линейчатым. Однако, опыты показывают, что атомы — устойчивые образования, и спектр атома — линейчатый. Отсюда вытекает вывод, что законы классической электродинамики неприменимы к внутриатомным процессам.

Бор перенёс на атом представление о квантах, выдвинув следующие три постулата:

1. Электроны в атоме могут двигаться не по любым орбитам, а только по орбитам вполне определённого радиуса. На этих орбитах, получивших название стационарных, или разрешённых, момент количества движения (импульса) электрона кратен величине , т. е.

, (3)

где m — масса электрона; — его линейная скорость;r — радиус орбиты; n —целое число (n=1, 2, 3, 4...), называемое квантовым числом (номер орбиты); h — постоянная Планка.

2. Движение электрона по стационарной орбите не сопровождается излучением или поглощением энергии.

3. При переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую излучается или поглощается квант энергии. Частота излучаемого или поглощаемого излучения определяется из условия:

, (4)

где E₁ и Е₂ — значения энергии электрона до и после перехода; — частота света, излучаемого или поглощаемого атомом.

Величина кванта энергии зависит от того, с какой орбиты на какую переходит электрон.

Таким образом, атом водорода существует в таких стационарных состояниях, которым соответствуют дискретные значения энергии: , , , …..

Расположение энергетических уровней простейшего атома — атома водорода, показано на рис. 7.

Рис. 7.

При движении по ближней к ядру орбите (n=1) электрон обладает минимальной энергией . При переходе электрона на орбиту большего радиуса энергия его возрастает (уровни энергии,, и т. д.). Такой переход электрона может происходить только тогда, когда атом получает энергию извне. Перескоки электронов на отдалённые орбиты ведут к возбуждённому состоянию атома. Возбуждённое состояние атома является малоустойчивым. По истечении так называемого среднего времени жизни, которое составляет по порядку величины всего, электрон вновь совершает обратный скачок в основное состояние (на орбиту, ближайшую к ядру), или же последовательно проходит следующие друг за другом низшие промежуточные состояния. Эти переходы, изображенные на рис. 1 стрелками, сопровождаются уменьшением энергии электрона. Выделившаяся при этом энергия испускается в пространство в виде монохроматического излучения с определённой частотой, определяемой формулой (4).

Значение энергии и выше (заштрихованная область) соответствует уходу электрона на бесконечное расстояние от ядра. Практически это означает полное высвобождение электрона из атома, причём атом становится ионом.

Теория Бора была крупным шагом в развитии теории атома. Она с полной отчётливостью показала неприменимость классической физики к внутриатомным явлениям и главенствующее значение квантовых законов в микромире.

В настоящей работе исследуемый спектр получается с помощью одного из простейших спектральных приборов — призменного спектроскопа, в котором происходит пространственное разделение лучей с различными длинами волн благодаря дисперсии света.

Дисперсия света — явление, обусловленное зависимостью показателя преломления вещества от длины световой волны. Эту зависимость можно охарактеризовать функцией .

Быстроту изменения показателя преломления с изменением длины волны, т. е. величину , называют дисперсией вещества.

Для всех прозрачных веществ с уменьшением длины волны происходит монотонное возрастание показателя преломления, т. е. для фиолетовых лучей () он будет больше, чем для красных (). Такая дисперсия называется нормальной. На рис. 8 приведены опытные данные показателя преломления в зависимости от длины волны для стекла (кривая 1) и кварца (кривая 2).

Рис. 8. Рис. 9.