Spektroskop, rurki Plückera, cewka Ruhmkorffa, aparat fotogtaficzny, źródło prądu

Transkrypt

1 Imię i nazwisko ucznia Nazwa i adres szkoły Imię i nazwisko nauczyciela Tytuł eksperymentu Dział fizyki Potrzebne materiały do doświadczeń Kamil Jańczyk i Mateusz Kowalkowski I Liceum Ogólnokształcące im. Hieronima Derdowskiego w Kartuzach ul. Klasztorna 4 Mirosław Regliński Badanie widm atomowych pierwiastków. Wyznaczenie krzywej dyspersji spektroskopu. Wyznaczenie stałej Rydberga. Optyka kwantowa Spektroskop, rurki Plückera, cewka Ruhmkorffa, aparat fotogtaficzny, źródło prądu 1. Cele przeprowadzenia doświadczeń Celem ćwiczenia jest poznanie zasady działania spektroskopu pryzmatycznego, układów optycznych (kolimator, luneta), obserwacja widm emisyjnych liniowych, sporządzenie krzywej dyspersji spektroskopu i na jej podstawie określenie długości fal badanego pierwiastka, wyznaczanie stałej Rydberga. 2. Opis wykonania doświadczeń Należy zacząć od wyjustowania spektroskopu. Następnie trzeba ustawić kolimator ze skalą. Podłączyć cewkę Ruhmkorffa i spektroskop. Przed szczeliną kolimatora ustawiamy kolejno rurki Plückera. Dla każdego źródła światła trzeba notować położenia linii widmowych na skali oraz ich barwę. K kolimator L - luneta L 1 - układ optyczny zawierający podziałkę liniowa niemianowana Ż źródło światła białego Z- rurka Plückera

2 3. Wyjaśnienie teoretyczne Atom zbudowany jest z niewielkiego ciężkiego jadra i elektronów. Ładunek dodatni zgromadzony jest w jadrze, ujemnie naładowane elektrony znajdują się w dużej odległości od jadra. Ruch elektronów opisują orbitale. Z każdym orbitalem związana jest pewna charakterystyczna energia, którą posiada elektron w atomie. Energia ta nie przyjmuje dowolnych wartości, ale jest skwantowana, czyli przyjmuje wartości dyskretne ściśle określone dla danego poziomu energetycznego. Przejście elektronu z orbitala o niższej energii na orbital o wyższej energii związane jest z dostarczeniem energii do atomu (wzbudzenie atomu, absorpcja). Natomiast przejście elektronu z orbitala o wyższej energii na orbital o niższej energii powoduje emisję energii przez atom E em o wartości równej różnicy energii pomiędzy energiami orbitalu początkowego E p i końcowego E k. gdzie: E em = E p E k = hv h stała Plancka, v częstotliwość emitowanej fali elektromagnetycznej. Z częstotliwością fali v związaną jest jej długość λ = c/v, c prędkość światła w próżni. Atomy wszystkich pierwiastków zbudowane są w ten sam sposób, jednakże ze względna rożną liczbę atomowa i liczbę elektronów, atom każdego pierwiastka posiada charakterystyczne poziomy energetyczne. W związku z tym, emituje charakterystyczne dla siebie częstotliwości (długości fal) promieniowania elektromagnetycznego. Dzięki temu, poprzez analizę widm emisyjnych można zidentyfikować skład substancji święcącej. Taka procedura nazywa się spektralną analizą widmową. Korzystając z wzoru na długość wypromieniowanej fali : Z tego wzoru możemy wyznaczyć stałą Rydberga gdyż:

3 k i n są liczbami całkowitymi, przy czym dla danej serii widmowej k = const, a n = k +1, k+2, k+3 charakteryzując w ten sposób linie poszczególnej serii. Na przykład największą długość λ max, występującą w danej serii o ustalonej początkowej liczbie k, możemy obliczyć n = n+1, a minimalną długość fali λ gr n. Łatwo też stwierdzić ze dla k = 2 i n = 3,4,5 wzór Rydberga przechodzi w wzór Balmera. Więc stała Rydberga wynosi: 1/(6562*10-10 m)= R H (1/2 2-1/3 2 ) 1/(6562*10-10 m)= R H *5/36 R H =7,2/(6562*10-10 m) = 0, *10 10 [1/m] Ostatecznie R H =1,0972*10 7 [1/m]

4 Neon Hel Wodór Kolor Skala Dł. fali Kolor Skala Dł. fali Kolor Skala Dł. fali Czerwony 2, Czerwony 2, Czerwony 2, Pomarańczowy 2, Żółty 3, fioletowy 7, Żółty 3, Fioletowy 8, Wykreślenie krzywej dyspersji z widma liniowego helu 1. Ustawić naprzeciwko szczeliny wejściowej spektroskopu rurkę Pluckera z helem i włączyć induktor Ruhmkorffa. Gaz w rurce powinien się zaświecić. 2. Zaznajomić się z układem linii widmowych i ich intensywnością patrząc w lunetę spektroskopu i obracając śrubę. Ustawić rurkę tak, aby w polu okularu otrzymać najjaśniejszy obraz linii. Ustawić ostrość obrazu widocznego w okularze za pomocą odpowiednich pokręteł. 3. Nastawić śrubę spektroskopu w skrajnym położeniu długofalowym tzn. na 700 nm. 4. Przekręcając bardzo wolno śrubę w kierunku krótkofalowym aż do 410 nm, ustawiać takie położenia, aby naprzeciwko ostrza widocznego w okularze znajdowały się najintensywniejsze linie widma helu. Położenie S tych linii odczytywane z podziałki na śrubie zapisać w tabeli 5. Powtórzyć czynności z punktu 4 przy kręceniu śruby w kierunku przeciwnym tzn. od krótkofalowego do długofalowego zakresu widma. Wyniki pomiarów wpisać do tabeli. Linie He λ [μm] 667,81 587,56 501,57 492,19 471,31 447,15 438,8 Barwa Czerwona Żółta Zielona niebzielona Niebieska Fioletowa fioletowa

5 Długość fali [angstremy] ,3 2,5 2,7 2,9 3,1 3,3 3,5 3,7 3,9 4,1 4,3 4,5 4,7 4,9 5,1 5,3 5,5 5,7 5,9 6,1 6,3 6,5 6,7 6,9 7,1 7,3 7,5 7,7 7,9 8,1 Skala Spektroskopu [ jedn. skali] 5. Zastosowanie praktyczne prezentowanego zjawiska Możliwość badania składu chemicznego obiektu, a także rozpoznania nieznanego pierwiastka na podstawie widm oraz wyznaczenie wartości podstawowych stałych fizycznych takich jak stała Plancka i Rydberga. Możliwość zmierzenia temperatury obiektu na odległość np. Słońca 6. Literatura, źródła dodatkowej informacji na temat prezentowanych zjawisk, zagadnień. T. Dryński, Ćwiczenia laboratoryjne z fizyki, PWN, Warszawa Sz. Szczeniowski, Fizyka doświadczalna, tom IV - Optyka, PWN, Warszawa D. Halliday, R. Resnick, J.Walker, Podstawy fizyki, tom III, PWN, Warszawa M. Jeżewski : Fizyka. PWN, Warszawa Struczkow : Zagadnienia fizyki współczesnej. PWN, Warszawa Analiza niepewności pomiarowych skrypt przygotowany przez opiekuna grupy (Mirosław Regliński)

6

7

8