Лабораторна робота 86/92
Градуювання шкали спектроскопу по спектру ртуті та визначення постійної Планка.
Мета роботи: Знайомство з роботою спектроскопа та градуювання спектроскопа по спектру ртуті. Знаходження постійної Планка, використовуючи дисперсійну залежність 
.
Прилади і матеріали: спектроскоп (монохроматор), ртутна кварцова лампа ПРК–4, кюветка з розчином 
, лампа розжарювання, трансформатор.
Теоретичні відомості
Розклад білого світла на спектр при його проходженні через призму є наслідком дисперсії світла. Дисперсія світла – це залежність показника заломлення речовини від довжини хвилі l:
(86.1)
Якщо спрямувати вузький пучок білого світла на одну з граней тригранної призми, то заломлюючись у призмі, промені виходять під різними кутами (рисунок 86.1). Найбільш відхиляються фіолетові промені, які мають найкоротшу довжину хвилі, а найменше – червоні промені, у яких довжина хвилі найбільша. Якщо на скляну призму спрямовувати вузький пучок білого світла, то на екрані виникає його спектр.
Існують три типи спектрів – лінійчасті, смугасті і суцільні.
Лінійчасті спектри випромінюються не взаємодіючими атомами простих речовин, тому їх ще називають атомарними спектрами. Вони складаються з окремих кольорових ліній. Лінійчасті спектри одержують коли атоми речовин шляхом розжарювання переводять у газовий стан (наприклад, в електричній дузі).
Смугасті спектри, маючи вигляд окремих кольорових смуг, є спектрами випромінювання не взаємодіючих молекул даної речовини і тому називаються ще молекулярними спектрами. Нагріті гази і пара породжують смугасті спектри, оскільки складаються з практично не взаємодіючих молекул.
Cуцільні спектри складаються з різних кольорів, яки змінюють один одного – від червоного до фіолетового. Ці спектри дають нагріті тверді тіла і рідини, а також газ під великим тиском.
Досліджування спектрів дозволяє встановити якісний склад речовини. Кількісний зміст певного елемента визначають, вимірюючи яскравість його спектральних ліній. Цей спектральний аналіз здійснюється за допомогою спеціальних приладів – спектрографів і спектрометрів.
Розглянемо будову найпростішого спектрального апарата – спектроскопа (рисунок 86.1).
Рисунок 86.1.
Він складається з трьох частин: коліматорної труби К, столика з призмою П і зорової труби ЗТ, що переміщується відносно призми мікрометричним гвинтом. Коліматор має щілину 1, розміщену в головному фокусі лінзи 2. Перед щілиною знаходиться джерело світла. Промені, які проходять крізь щілину і падають на лінзу, виходять з неї паралельним пучком і попадають далі на передню грань призми П, яка завдяки явищу дисперсії розкладає світло на спектр. Крізь об’єктів промені надходять у зорову трубу. За допомогою лінзи 3, паралельні пучки світла збираються в різних точках її фокальної площини 4. За допомогою окуляра – лінзи 5 – ми бачимо збільшене зображення спектра 6.
Для перетворення спектроскопа на спектрометр необхідно проградуювати шкалу спектроскопа, тобто поставити у відповідність поділкам шкали спектроскопа відповідні значення довжин хвиль. Для цього використовується у вигляді графіка залежність довжини хвилі від кута повороту барабану .
Для знаходження постійної Планка розглянемо природу світла. З теорії Максвела відомо, що світло являє собою електромагнітні хвилі, які випромінюють атоми та молекулі речовини. Хвильова теорія світла добре пояснювала низку явищ, зв’язаних з поширенням світла, таких як інтерференція, дифракція, поляризація та дисперсія. Однак, закони теплового випромінювання – закони Стефана–Больцмана, Віна, Кірхгофа – електромагнітна теорія пояснити не змогла.
Намагаючись подолати ці труднощі німецький фізик Макс Планк у 1900 року висловив гіпотезу, що випромінювання та поглинання світлової енергії електромагнітного поля відбувається не безперервно, а здійснюється окремими порціями – квантами світла, або фотонами.
Енергія фотона пов’язана с його частотою 
рівнянням:
, (86.2)
де 
– стала Планка.
Оскільки швидкість світла 
, формулу (86.2) можна записати у вигляді 
, звідки
(86.3)
Отримання постійної Планка в цієї роботі зводиться до визначення довжини хвилі 
, яка відповідає червоної границі спектра поглинання двохокісного калію 
. При цьому відбувається реакція, яка протікає з поглинанням енергії:
, (86.4)
де 
– мінімальна (гранична) енергія фотона, яка необхідна для здійснення реакції (86.4). Досліди показують, що для даної речовини ця енергія дорівнює
. (86.4)
Довжина хвилі, котра відповідає граничній енергії, визначає границю спектра поглинання розчину двоххромоокісного калію. Визначив граничну довжину хвилі 
, можна знайти постійну Планка 
за формулою (86.3).
Експериментальна установка зображена на рисунку 86.2.
 |
Рисунок 86.2.
Вона складається з монохроматора 1, ртутної лампи 2, водневої газорозрядної трубки 3, неонової лампочки, яка знаходиться у захисному кожусі 4, блока живлення 5 та кюветки з розчином 6.
Послідовність виконання роботи
А) Градуювання спектроскопа:
1 Накреслити таблицю вимірюваних величин за зразком, наведеним нижче (таблиця 86.1).
2 Розглянути будову спектроскопа. Ознайомитись з механізмами його управління.
3 Переключити тумблер Т в положення ПРК-4 (дивись рисунок 86.2). Встановити щілину коліматора перед вікном ртутної лампи 2. Налаштувати найкращу видимість спектра. Добитись чіткого зображення візирного штиря за допомогою переміщення окуляра вихідного коліматора.
4 За допомогою відлікового пристрою спектроскопа для кожної лінії відомого спектра (значення довжини хвилі якої вказані у таблиці) визначити показання відлікового пристрою спектроскопа і занести їх у таблицю 86.1.
5 За даними таблиці накреслити на міліметровому папері графік залежності довжини хвилі від показу відлікового пристрою спектроскопа – градуювальну криву спектроскопа.
Б) визначення постійної Планка:
1 Знайти граничну довжину хвилі спектра поглинання розчину двохокісного калію . Для цього:
Тумблер Т перевести в положення Л-1. Коліматор спектроскопу направити на нить лампи розжарювання.
За допомогою відлікового пристрою – барабану Б (дивись рисунок 86.2) – знайти в полі зору окуляра суцільний спектр.
Розташувати кюветку з розчином так, щоб прозори грані її були перпендикулярні коліматорної трубі. При цьому короткохвильова частина спектра буде поглинатися.
За допомогою барабану Б визначити положення границі області поглинання світла.
2 Використовуючи градуювальну криву спектроскопа, знайти відповідне до цієї границі значення .
3 За формулою (86.3) визначити постійну Планка.
Звіт за виконану роботу
1 Робоча формула:
– постійна Планка.
Величини, що знаходяться за допомогою градуювальної кривої спектра:
– граничне значення довжини хвилі, 
м.
Табличні величини:
– швидкість світла у вакуумі;
– енергія фотона, яка необхідна для здійснення реакції.
Величини, що обчислюються:
– постійна Планка, 
.
2 Результати експерименту:
Таблиця 86.1
| № з/п | Колір лінії | Довжина хвилі  , нм
| Відлік за шкалою  , поділки
|
| Червона – 1 | |||
| Червона – 2 | |||
| Червона – 3 | |||
| Червона – 4 | |||
| Червона – 5 | |||
| Жовта – 1 | |||
| Жовта – 2 | |||
| Зелена | |||
| Блакитна – 1 | |||
| Блакитна – 2 | |||
| Темно-блакитна – 1 | |||
| Фіолетовий – 1 | |||
| Фіолетовий – 2 |
Контрольні питання
1 Що називається дисперсією світла? Привести приклади цього явища.
2 Що таке спектр випромінювання речовини?
3 Накреслити принципову схему спектроскопа. Поясніть хід променів у спектроскопі.
4 Що таке спектральний аналіз? Для чого він застосовується?
5 В чому полягає градуювання спектроскопа?
6 Які джерела світла використовуються в даній роботі? Які спектри вони дають? Чим вони відрізняються один від одного?
7 Сформулюйте гіпотезу М. Планка.
8 Що таке фотон? Наведіть формулу для знаходження енергії фотона.
9 У чому полягає корпускулярно-хвильовий дуалізм властивостей світла?
