Оптика и строение атома. Элементы физики атома

 

3.5. Квантовая теория испускания атомами электромагнитного излучения.

 

Если атому сообщить дополнительную энергию, то он может перейти в возбужденное состояние (например, для водорода возможны переходы из состояния с n=1 в состояния с n = 2, 3, 4, …  см. рис.2). Возбуждение атомов может инициироваться различными способами: за счет столкновений с элементарными частицами – ударное возбуждение, при столкновениях с атомами – тепловое возбуждение и, наконец, при поглощении атомами электромагнитного излучения. Для перехода из основного состояния в возбужденное c главным квантовым числом n атому необходимо передать энергию равную разности энергий En  и E1 состояний. Если энергия передается электромагнитным излучением с непрерывным спектром частот, то из этого излучения атомом будут поглощены кванты с энергиями .  Если использовать выражение (8) для возможных энергий, то получим формулу для серии частот поглощения атома водорода, что полностью соответствует экспериментальным данным

 

.                                                     (14)

 

Если энергия, переданная электрону, будет достаточно велика, то электрон может преодолеть силу притяжения к ядру и оторваться от атома. Такой процесс называют ионизацией атома. Из рисунка 2 видно, что минимальная энергия, необходимая для ионизации атома водорода (переход  n = 1 ®  n = ¥), равна 13.6 эВ. Это значение хорошо согласуется с экспериментальными данными для энергии  ионизации атома водорода.

В возбужденном состоянии атом долго находиться не может. Как и любая физическая система, атом стремится занять состояние с наименьшей энергией. Поэтому через время порядка 10-8с возбужденный атом самопроизвольно (спонтанно) переходит в состояние с меньшей энергией, испуская при переходе квант энергии излучения. Такой процесс продолжается до тех пор, пока атом не окажется в основном состоянии (Рис.16). Совокупность всех возможных частот или длин волн излучений атома называют спектром испускания (при анализе излучений спектроскопом им соответствует набор спектральных линий). Если структура энергетических уровней атома определена, то можно рассчитать и спектры возможных излучений данного атома. Например, используя (8) для атома водорода и формулу Планка , можно получить общую формулу, описывающую все экспериментальные серии излучения водорода (2) ,

 

Если атом переходит из одного квантового состояния в другое с испусканием или поглощением фотона, то возможны лишь такие переходы, для которых орбитальное квантовое число  изменяется на единицу  Dl = ±1. Это правило называется правилом отбора. Наличие такого правила отбора обусловлено тем, что электромагнитное излучение (фотон) уносит или вносит не только квант энергии, но и вполне определенный момент импульса, изменяющий орбитальное квантовое число для электрона  на единицу. Вследствие указанных особенностей, у каждого атома имеется свой индивидуальный спектр излучения и спектр поглощения (Рис.9), которые полностью его идентифицируют.

                                            

 

                                Рис.9. Возможные переходы для атома водорода.

 

 

 

 

4. Лабораторная работа № 315

 

ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕКТРА НЕОНА С ПОМОЩЬЮ СТИЛОСКОПА СЛП-1

 

4.1. Описание установки

Качественное исследование видимой части спектра производится спектроскопами различного типа. Принцип действия этих приборов основан на явлении дисперсии света (зависимость показателя преломления от частоты или длины волны света) и законе преломления света на границе двух сред. В результате этого световые волны разных частот преломляются в призме под разными углами, что позволяет анализировать частотный состав исследуемого излучения (Рис. 10).

 

                    

 

                 

                           Рис.10. Принципиальная схема работы спектроскопа.

а – исследуемое излучение, б – экран с щелью для формирования плоскрго пучка света, в – призма,

г- экран для наблюдения состава спектра.

 

 

 Переносной стилоскоп СЛП-1 представляет собой спектроскоп особой конструкции.На оптической схеме прибора (рис. 11) изображены:  S- источник света (газонаполненная трубка или лампа); 1 и 2 - защитные стекла; 3 - призма, которая направляет лучи на конденсор   4, создающий паралельный пучок света.

 

                                            

 

Рис.11. Оптическая схема прибора СЛП-1.

 

Из  конденсора лучи попадают на объектив 6 черед шель 5, находящуюся в его фокусе. Параллельный пучок из объектива приходит две диспергирующие призмы 7 и 8. Большая грань призмы в покрыта серебром, и лучи, отражаясь от этой грани, снова попадают на призму 7. Двойное прохождение света черея призмы 7 и 8 увеличивает дисперсию прибора (угол между лучами увеличивается), что позволяет разделять световые излучения с близкими частотами. Череа объектив, который делает лучи идущими парралельно, и призму 9 лучи попадают в окуляр 10. Основные узлы прибора находятся в его корпусе (Рис 12). С левой стороны корпуса прибора помешается барабан 2 с делениями, который вращается относительно неподвижного цилиндра. Один полный оборот барабана перемешает его на одно деление неподвижной шкалы на цилиндре, т.е. деление неподвижной шкалы на цилиндре равно 100 делениям шкалы барабана.

 

                                       

                                      Рис. 12. Внешний вид СЛП-1

 

 

4.2. Порядок выполнения работы 315.

 

1. Включить в сеть напряжением 220 В ионовую лампу, установленную перед стилопкопом.

2. Наблюдая спектр неона и осторожно вращая барабан, добиться совмещения указателя окуляра оптической трубы стилоскопа с первой линией и сделать отсчет по шкале барабана о точностью до десятой доли деления (при совмещении указателя окуляра со спектральной линией нижняя половина линии перекрывается указателем). Продолжая вращать барабан перевести указатель на следующую хорошо видимую линию и снова сделать отечет по шкале барабана и т.д.

3. Рееультаты занести в таблицу.

4. По градуировочному графику (см. график на лабораторном столе) определяют длину волны каждой линии.

Таблица результатов

Вид газа	Цвет спектральной линии	Показания по шкале	Длина волны (Ангстремы)
Неон	Красная (3-4 линии)
	Оранжевая
	Желто-зеленая
	Зеленая

 

 

 

 

5. Лабораторная работа № 316

ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕКТРА АТОМОВ РТУТИ С ПОМОЩЬЮ СТИЛОМЕТРА СТ-7

 

5.1. Описание установки

 

Стилометр представляет собой спектроскоп особой конструкции и предназначен для экспрессного качественного и количественного анализа состава сплавов металлов методом спектрального анализа. С его помощью можно в течение нескольких минут определить количественное содержание добавок в легированных сталях и в цветных металлах. Спектральный анализ более точен и более эффективен, чем химические методы. Другим значительный преимуществом стилометра является почти полное отсутствие повреждений пробы при анализах. Это позволяет производить контроль проб во время плавки стали, а также готовых изделий и полуфабрикатов. Стилометр - спектральный прибор высокой чувствительности, большой дисперсии и разрешающей способности, давший возможность находить близко расположенные друг к другу спектральные линии.

Общий принцип действия прибора дан в описании лабораторной работы N 315. Основные части оптической схемы общие для всех спектроскопов: коллиматор, дающий параллельный узкий пучок света; диспергирующая система призм, разлагающая пучок света в спектр; фокусирующая система зрительной трубы (Рис.13).

                                    

                                           Рис. 13. Оптическая схема СТ-7

 

Свет от источника света (рис. 13) концентрируется конденсором 1 на щель 2. Пройдя призму 3, световой пучок попадает на коллиматорный объектив 4 и далее разлагается в спектр блоком диспергирующих призм 5, 6, 7. Действительное изображение спектра фокусируется объективом 8 зрительной трубы в плоскости, пересекающей гипотенузную грань призмы 10 (этот объектив закреплен неподвижно). Призма 9 поворачивает луч на 180°, причем луч выходит из призмы выше входящего луча. Таким образом, этот луч проходит выше объектива 8 и диспергирующей призмы 7 и попадает на призму 10. Назначение призм 10 и 11 состоит в том, чтобы разделить спектр на две части. Небольшой участок спектра призма 10 направляет на фотометрический клин 12 и призму 14, а оставшуюся часть спектра пропускает на призму 11, которая направляет ее на фотометрический клин 13 и призму 10. Затем оба участка спектра фокусируются в поле зрения окуляра с помощью оборачивающих систем 15, 16 и 19,20. Призмы 21 и 22 направляют свет вдоль оптической оси окуляра 23, который дает увеличенное мнимое изображение спектра, наблюдаемое глазом.

Стилометр состоит иа корпуса 1 (рис. 14)), основания 2, механизма щели и проекционной насадки 3. Спектр наблюдается в окуляр, причем одновременно можно наблюдать большие (200 - 300 Ангстрем) участки видимого спектра. Приведение в поле зрения нужного участке опектра осуществляется поворотом блока диспергирующих прием 5, 6, 7 (рис. 14).

                                                     

 

                                            Рис. 14. Внешний вид СТ-7

              

 

Вращение пластинки с призмами осуществляется посредством маховичка 4 (Рис.14), находящегося с правой стороны стилометра. Весь спектр просматривается за пять оборотов маховичка. Вращать его нужно осторожно, избегая резких движений при подходе к крайним делениям шкалы, чтобы не сбить градуировку прибора. Резкость изображения спектра достигается объективом 4 (см. Рис.13), который перемешается маховичком 5 (см. Рис. 14). Источником света служит ртутная лампе ПРК-4. Внутри ее кварцевого корпуса происходит электрический разряд в парах ртути. При этом возбужденные атомы ртути отдает свою энергию в виде световых квантов.

 

5.2. Порядок выполнения работы 316.

1.В присутствии преподавателя включить систему питания ртутной лампы в сеть напряжением 220 В. Если лампа не загорелась, на мгновение нажать кнопку "пуск" 9 (см.Рис.14), Если лампа снова не загорелась, повторить кратковременное нажатие кнопки до загорания лампы.

2. Для предварительного ознакомления со спектром ртутной лампы просмотреть всю область видимого спектра вращением маховичка 4 и запомнить яркие линии, положение которых необходимо определить. Рабочий диапазон прибора от 1,00 до 5,00 делений шкалы барабана маховичка 4.

3. Подвести маховичком в вертикальную прямоугольную рамку (видимую, в середине поля зрения) зеленую спектральную линию и фокусировать ее окуляром 10, поворачивая рифленое кольцо. При дальнейшей работе окуляр не передвигать!

4. Фокусировать зеленую линию спектра коллиматорным объективом, врашая маховичок 5. При переходе от одних участков спектра к другим необходимо подправлять фокусировку спектральных линий объективом, но не окуляром.

5. Если в прямоугольной рамке или сбоку от этой рамки будут видны черные провалы, то необходимо поворачивать маховичок 11 до тех пор, пока вся рамка не будет четко видна без темных провалов.

6. Барабан 4 поставить в такое положение, чтобы отсчет по микрометрической шкале был 1,00.

7. Передвигая опектральные линии слева направо, произвести отсчеты положения самых ярких линий ртути в каждой части спектра (см. таблицу). Отсчет производить в тот момент, когда линия пройдет левую границу прямоугольной вертикальной рамки и увеличится в размерах по высоте.

8. Результаты занести  в таблицу.

9. Выключить установку.

10. По грдуировочному  графику (см. на лабораторном столе) определить длины волн линий спектра и сравнить их с взятыми из каталога спектров читых веществ.

 

 Таблица результатов

 

Цвет линий	Деления по барабану	Длины волн, определенные по графику	Длины волн, по каталогу
Красный			6234
Красно-оранжевый			6123, 6073
Желтый			5791, 5770
Зеленый			5451, 4916, 4900
Синий			4358, 4347, 4339
Фиолетовый			4108, 4078, 4047