Измерение изотопического сдвига

Измерение изотопического сдвига осуществляется на экспериментальной установке, в которой используются три сменные лампы: водородная, дейтериевая и ртутно-гелиевая, а также спектральный прибор, дающий необходимое разрешение спектральных линий.

В качестве сменных ламп удобно использовать дуговые лампы типа ДВС-25, ДДС-30 и ДРГС-12. Они имеют одинаковую конструкцию и систему электропитания. Каждая из ламп представляет собой стеклянный баллон с впаянными внутрь электродами − катодом и анодом. Анод лампы имеет небольшое круглое отверстие посередине. Отверстие служит для вывода света из области разряда через окошко из увиолевого стекла, пропускающего ультрафиолетовое излучение. Лампы имеют нагреваемые термоэлектронные катоды, накал которых необходимо включать приблизительно за 1 минуту до подачи постоянного напряжения около 200 В между катодом и анодом. Лампы ДВС-25 и ДДС-30 наполнены, соответственно, протием и дейтерием при давлении 100 Тор, и в них возникает несамостоятельный дуговой разряд.

Плазма этого разряда создает достаточно мощное излучение со сплошным спектром в ультрафиолетовой области (λ≤ 350 нм), которое обусловлено радиационной рекомбинацией электронов и положительных ионов водорода. Кроме областей непрерывного спектра, наблюдаются также спектральные линии, соответствующие излучательным переходам между стационарными состояниями атомов и молекул. Возбуждение таких переходов происходит главным образом за счет электронных ударов. Поэтому спектр излучения ламп ДВС-25 и ДДС-30 в видимой области имеет большое число линий, среди которых отчетливо видны линии атомарного водорода и дейтерия.

Лампа ДРГС-12 имеет линейчатый спектр излучения, обусловленный квантовыми переходами в атомах ртути и гелия. Она служит для градуировки спектрального прибора по длинам волн. Длины волн спектра излучения этой лампы в области 400 – 600 нм представлены в табл. 3.1, где звездочками отмечены наиболее яркие линии. Для градуировки в красной области можно использовать неоновую лампу.

Таблица 3.1

Лампы поочередно подключаются к специальному источнику питания, который обеспечивает накал катода переменным током до 3,5 А при напряжении 6,3 В и питание дугового разряда постоянным током 0,3 А при напряжении до 300 В.

В качестве спектрального прибора хорошо подходит спектрограф СТЭ-1 либо автоколлимационная камера с отражательной дифракционной решеткой. На одну и ту же фотопластинку производится съемка спектров излучения от каждой лампы. После обработки фотопластинки, по спектру ртутно-гелиевой лампы для спектральных участков в окрестности исследуемых линий серии Бальмера находят обратную линейную дисперсию спектрального прибора, выраженную в ангстремах на миллиметр (Ǻ/мм). Величину изотопического сдвига получают, умножив расстояние между соответствующими линиями в спектрах протия и дейтерия на обратную линейную дисперсию. Измерение расстояний можно провести с помощью микроденситометра, микроскопа или компаратора, причем отсчеты следует снимать с точностью до 0,01 мм. Длины волн линий необходимо представлять с точностью до десятых долей ангстрема.

Измерение изотопического сдвига значительно упрощается при использовании разработанного на физическом факультете БГУ малогабаритного автоматизированного спектрометра с системой регистрации спектра с помощью ПЗС-линейки, сопряженной с персональным компьютером. Спектры отображаются на экране дисплея в виде графиков зависимости интенсивности излучения от длины волны. Программное обеспечение позволяет заносить спектры в память компьютера. Записав поочередно спектры протия и дейтерия, их можно затем одновременно вывести на экран и с помощью перемещаемой визирной линии измерить длину волны в нужном месте спектра.

Величина изотопического сдвига будет равна разности длин волн для максимумов на контурах линий протия и дейтерия.

Задани е

1. Выполнив необходимые измерения, определить величину изотопического сдвига для линий серии Бальмера.

2. С помощью формулы (3.20) найти отношение масс дейтрона и протона. Оценить погрешность полученного результата.

Контрольные вопросы

1. При каких условиях возникают спектры испускания и спектры поглощения?

2. Одинаково ли число линий в спектрах испускания и поглощения одного и того же газа? Ответ обосновать.

3. Дать формулировки постулатов Бора и основных предположений боровской модели водородоподобного атома.

4. Пояснить принципы построения диаграммы уровней энергии атома.

5. Изобразить схему уровней энергии и спектр атома водорода.

6. Какова связь между формулой Бальмера и правилом частот Бора?

7. Объяснить физический смысл постоянной Ридберга. Как она связана с энергией ионизации атома водорода? С фундаментальными постоянными?

8. Каковы причины изотопического сдвига спектральных линий?

9. Как проводится учет движения ядра в атоме водорода в модельной теории Бора?

10. Одинаковы ли размеры атомов дейтерия и протия? Одинаковы ли их энергии ионизации?

11. Чему равен размер позитрония – водородоподобной системы, состоящей из электрона и позитрона?

12. Для численных расчетов удобно пользоваться формулой Е _ф λ = 1240, в которой энергия фотона Е _ф выражена в электронвольтах, а длина волны λ − в нанометрах. Вывести эту формулу.