ВВЕДЕНИЕ
Линейчатые спектры наиболее простые по структуре, состоят из отдельных линий и возникают в том случае, когда источником излучения является газ или пар при низком давлении. Это спектры невзаимодействующих атомов.
В настоящее время очень хорошо известны закономерности спектральных линий атома водорода. В 1885 г. Бальмер впервые показал, что спектральные линии, расположенные в видимой части спектра подчиняются формуле (с – скорость света):
, k =n+1, n+2, …, (1)
где n = 2. Постоянная 
впоследствии была вычислена Пашеном (1916 г.). Её современное значение равно 
с-1. В настоящее время 
принято называть постоянной Ридберга. Впоследствии были обнаружены другие серии спектральных линий, лежащих вне видимой части спектра. Оказалось, что закон расположения этих линий определяется по формуле (1) при других целых n:
n = 1 – серия Лаймана (ультрафиолетовые лучи),
n = 2 – серия Бальмера (видимые лучи),
n = 3 – серия Пашена (инфракрасные лучи),
n = 4 – серия Брэкетта (инфракрасные лучи).
Существование линейчатых спектров не находило объяснения в классической физике. Впервые это явление было объяснено Н. Бором (1913г.) на основании гипотезы световых квантов Планка и Эйнштейна. Бор предположил существование в атомах стационарных орбит, находясь на которых электроны не излучают (1 постулат Бора). Излучение света с частотой ν происходит при переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую. При этом излучается порция (квант) электромагнитной энергии согласно формуле
(2)
где постоянная Планка 
(2 постулат Бора).
Постулаты Бора противоречили классической теории электромагнитного излучения Максвелла и нашли свое объяснение только в созданной Гейзенбергом (1925 г.) и Шредингером (1926 г.) квантовой механике, объясняющей поведение материи в пределах атома. Основным динамическим уравнением квантовой механики является уравнение Шредингера, которое для стационарных состояний квантовомеханической системы имеет вид:
, (3)
где 
. Для нахождения стационарных состояний электрона в атоме водорода в формулу (3) вместо произвольного потенциального поля 
нужно подставить выражение для потенциальной энергии кулоновского поля ядра атома водорода
, (система единиц СИ) (4)
где е – заряд электрона, 
- расстояние межу электроном и ядром, 
- электрическая постоянная. В формуле (3) m есть масса электрона, а 
- значение энергии электрона. Функция 
в формуле (3) называется волновой функцией. Она является комплексной величиной и её квадрат 
равен плотности вероятности нахождения электрона в точке пространства, определяемой радиус-вектором 
.
Уравнение Шредингера решается сложными аналитическими методами. При 
(электрон находится в сферической потенциальной яме, созданной притяжением положительно заряженного ядра) решение уравнения Шредингера существует только при строго определенных значениях энергии :
(эВ) (n = 1, 2, 3, …). (5)
Целое число n, определяющее дискретное значение уровня энергии электрона в атоме, называется главным квантовым числом. Подставляя выражение для энергии (5) и (2), находим выражение для частоты кванта света, испущенного атомом водорода при переходе электрона с уровня с энергией 
на уровень с энергией 
, совпадающее с формулой (1), в которой постоянная Ридберга равна выражению:
, (6)
значение которого совпадает с обнаруженным экспериментально.
Таким образом, существование линейчатых спектров находит свое последовательное объяснение в современной квантовой теории вещества. На рис. 1 дана схема энергетических уровней атома водорода, Уровень с n = 1 соответствует основному (невозбужденному) состоянию атома. Стрелками обозначены переходы, сопровождающиеся излучением квантов, соответствующих наиболее важным линиям спектра атома водорода.
| |||||
| |||||
|
СПЕКТРАЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ
Разложение электромагнитного излучения в спектр и его исследование проводят с помощью спектральных приборов. Основной частью спектрального прибора является диспергирующий элемент (призма, дифракционная решетка, интерферометр), обеспечивающий разделение лучей с разными длинами волн (дисперсию излучения). В настоящей работе в качестве спектрального прибора используется монохроматор, диспергирующим элементом которого служит призма.
Действие призмы основано на дисперсии света – зависимости показателя преломления вещества призмы от длины волны λ проходящего через него излучения. Физическая причина дисперсии заключается в зависимости скорости света в среде от длины волны. Схема разложения пучка излучения на монохроматические составляющие с помощью призмы изображена на рис. 2. Лучи с различными длинами волн 
и 
отклоняются на разные углы 
и 
от начального направления MN и тем самым разделяются пространственно. Наибольшее отклонение испытывают лучи с наименьшей длиной волн
Рис. 2
Характеристики спектральных аппаратов: угловая дисперсия, линейная дисперсия, разрешающая способность описаны во введении к лабораторной работе №1.
ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ
Работа проводится при помощи монохроматора УМ-2, на рельс которого устанавливается источник излучения S (Рис. 3). Свет от источника попадает на щель Щ входной трубы прибора – коллиматора К и, проходя через объектив ОБ1, образует параллельный пучок. В качестве диспергирующего элемента используется сложная призма П, которая разлагает излучение и направляет его в выходную трубу ТР под углом 90о к падающему пучку. Объектив ОБ2 трубы фокусирует спектр в плоскости указателя У. Окуляр ОК трубы позволяет наблюдать линии визуально.
Столик с призмой может плавно поворачиваться вокруг вертикальной оси с помощью микрометрического винта, соединенного с барабаном Б. Поворот барабана позволяет выводить в центр поля зрения трубы поочередно все линии спектра. На барабане нанесены деления, отсчет которых читается против индекса, скользящего по спиральной канавке.
Рис. 3
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
Установив источник излучения на рельс перед входной щелью коллиматора, с помощью окуляра наводят резкость на изображение указателя У, в плоскости которого получается изображение линий спектра. Выбранную линию совмещают с указателем плавным вращением барабана, по шкале которого отсчитывается показание N. Вращая барабан и наблюдая в окуляр трубы, выводят поочередно каждую линию в центральное положение до совмещения ее с указателем в окуляре. Каждой спектральной линии с длиной волны 
соответствует определенное деление N барабана. График, показывающий связь 
и N, строится по известному спектру и называется калибровочным.