Цель работы. Изучение спектра водорода.
Введение
Линейчатые спектры обусловлены испусканием электромагнитного излучения свободными или слабо связанными атомами. Одним из источников такого излучения является возбужденный газ или пар [1], [3]. В данной работе используются газосветные трубки, наполненные водородом и неоном.
Установлено, что спектральные линии атомарного водорода обнаруживают несложные закономерности. Частоты соответствующих линий могут быть определены по формуле
(1)
где n— частота, n = c / l,
c — скорость света в вакууме,
l — длина волны,
R — постоянная Ридберга,
ni, nj — целые числа, причем nj может принимать значения
(ni + 1), (ni + 2), (ni + 3), …
Из квантовой механики известно, что атом может обладать лишь рядом дискретных значений энергии E1, E2, E3 и т. д., каждое из которых определяется главным образом квантовым числом n. При разрешенном правилами отбора (1) переходе атома из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией испускается квант энергии.
Рассмотрим переход атома из различных возбужденных состояний на один и тот же энергетический уровень, определяемый квантовым числом ni. Совокупность спектральных линий, отвечающая таким переходам, образует серию. Таким образом, ni определяет серию. Соответственно квантовое число nj определяет энергетический уровень, с которого имел место данный переход, т. е. линию в серии.
Различным сериям атома водорода: Лаймана, Бальмера, Пашена, Брэккета, Пфунда отвечают соответственно значения n i= 1,2,3,4,5.
Из формулы (1) следует, что частоту любой спектральной линии спектра атома водорода можно представить как произведение скорости света на
разность двух членов типа R/nk2. Эти члены в спектроскопии называются термами [3]. Иными словами,
n = c (T (ni) - T (nj)), (2)
где
Итак, зная систему термов для данного атома, можно получить частоту любой спектральной линии из соотношения (2).
Рассмотрим, как определить частоты спектральных линий атома водорода, принадлежащих серии Бальмера, используя комбинационный принцип, математическое выражение которого представлено равенством (2). Для серии Бальмера ni = 2, nj = 3, 4, 5... Следовательно,
, (3)
Если приписать nj значения соответственно 3, 4, 5, 6, то из уравнения (3) получим значения частот спектральных линий, лежащих в видимой области и обозначаемых в спектроскопии Ha, Hb, Hj, Hd.. По мере увеличения nj разность частот соседних линий уменьшается, и при nj Þ ¥ сами частоты стремятся к пределу
где nтр — частота, соответствующая границе серии Бальмера. У каждой серии есть своя граница, соответствующая ей частота определяется соотношением:
Рассмотрим физический смысл nгр Согласно Бору, при переходе атома с более высокого j-го энергетического уровня на менее высокий i - й уровень излучается квант энергии
hn = Ej - Ei (4)
Соответственно, чтобы перевести электрон с уровня i на уровень j, необходимо сообщить ему такую же энергию.
Частота nгр определяет энергию (E = hnгр), которую надо сообщить электрону, чтобы удалить его с уровня, определяемого числом ni в безвоздушное пространство за пределы атома, где его полная энергия должна быть равна нулю. Описанный процесс называется процессом ионизации.
Таким образом, E = hnгр представляет энергию ионизации атома в данном состоянии. Обратный процесс — процесс рекомбинации будет сопровождаться излучением, частота которого nгр.
Поскольку электрон, отделенный от атома, может обладать произвольной кинетической энергией Т, то при его захвате ионом должна освобождаться энергия (hnгр + T).Следовательно. согласно второму постулату Бора (1) в этом случае будет испускаться электромагнитное излучение с частотой
Таким образом, возможно излучение с частотой, большей нежели частота границы серии, на любую величину T/h. Это означает, что к границе серии со стороны высоких частот прилегает сплошной спектр. Излучение спектров испускания позволяет исследовать строение атома.
П р и б о р ы и п р и н а д л е ж н о с т и: монохроматор, газосветные трубки с водородом, неоном.