№ 3–17. Изучение спектра испускания атомов водорода и определение постоянных Ридберга и Планка

Состояния, отвечающие энергетическим уровням (17-3), называются стационарными. Находясь в них, электрон не излучает в атоме водорода. Излучение происходит лишь при переходе электрона с одного уровня на другой.

Формулы (17-2), (17-3) могут быть получены с помощью теории Бора.

Спектр испускания атома водорода состоит из серий и схематически представлен на рис. 54. В серию объединяются все спектральные линии, имеющие одно и то же квантовое число k т. е. все линии, при излучении которых нижнее энергетическое состояние у атомов будет одно и то же.

Полагая в (17-2) k = 1, m = 2, 3, … и т. д., получим серию, лежащую в ультрафиолетовой части спектра (серию Лаймана). Число линий в этой, как и в любой другой серии бесконечное.

Аналогично, полагая k = 2, m = 3, 4, … и т. д., получим серию, лежащую в видимой части спектра (серию Бальмера).

Полагая получим первую инфракрасную серию (серию Пашена). Полагая получим вторую инфракрасную серию (серию Брэкета) и т. д.

Ионизации атома, при которой электрон переходит из связанного в свободное состояние для любого k, соответствует значение m = ?.

Для ионизации атома водорода из невозбужденного состояния требуется энергия E_i = 13,6 эВ. В этом случае

2. Описание аппаратуры и метода измерения

Установка состоит из спектрометра, укрепленной на штативе водородной лампы с источником питания.

Свет, испускаемый водородной лампой, исследуется с помощью призменного спектрометра.

Водородная лампа представляет собой тонкую запаянную стеклянную трубку, наполненную водородом. Внутрь лампы введены два электрода, на которые от индукционной катушки подается высокое напряжение ~ 3000 В. Благодаря высокой разности потенциалов, в лампе происходит самостоятельный тлеющий газовый разряд. Сталкиваясь с электронами и другими атомами и молекулами, часть атомов водорода переходит в возбужденное состояние. Время пребывания атома в возбужденном состоянии очень мало, обычно порядка 10^–8 с.

Спонтанно (самопроизвольно) переходя из более высокого энергетического состояния в менее высокое (высвечиваясь), атом излучает световой квант. Излученный свет наблюдается с помощью спектрометра. Для анализа спектра в работе используется призменный спектрометр, состояния из коллиматора, призмы и зрительной трубки. Призма может поворачиваться с помощью барабанчика, имеющего шкалу делений n.

Свет падает на щель коллиматора, затем проходит призму и рассматривается в окуляр. Чтобы направить световой луч вдоль оси зрительной трубки, надо повернуть призму на угол, величина которого зависит от длины световой волны. Таким образом, в призменном спектрометре можно по показанию шкалы барабанчика n определять длину световой волны. В окуляре имеется указатель в виде стрелки. Риска возле барабанчика отмечает на барабанчике длину световой волны спектральной линии, стоящей против стрелки, видимой в окуляр. Для перевода делений шкалы барабанчика в нм имеется градуировочный график (рис. 55).

Для настройки спектрометра на ту или иную часть спектра надо вращать барабанчик.