Учебное пособие по экспериментальной физике составлено в соответствие с программой по общему курсу физики и по физическому практикуму для студентов очного и заочного обучения инженерно-технических специальностей нефтегазовых университетов.
Скачать 2.09 Mb.
|
Контрольные вопросы1. Что такое внутренний фотоэффект? Где и когда он наблюдается? 2. Как устроен фоторезистор? Где он находит применение? 3. Объясните механизм образования фотопроводимости. 4. Что такое собственная проводимость полупроводника? 5. Как возникает электронная и дырочная проводимости? 6. Почему при «размывается» край собственного поглощения? 7. Чем объясняется наличие темнового тока. 8. Объясните линейный характер вольт-амперной характеристики. 9. Объясните характер световой характеристики. 10. Объясните характер спектральной характеристики в собственной и примесной области поглощения. 11. Почему у металлов не наблюдается внутренний фотоэффект? 12. Что такое рекомбинация и время жизни носителей заряда? 13. Почему наблюдается уменьшение фотопроводимости при уменьшении ?
1. Трофимова Т.И. Курс физики. 2. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Курс физики.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОСТОЯННОЙ РИДБЕРГА ПО СПЕКТРУ АТОМАРНОГО ВОДОРОДА Цель работы – ознакомиться с принципом работы монохроматора. Изучить закономерности в спектре атома водорода. Определить экспериментально постоянную Ридберга Краткое теоретическое введение Постановка задачи Атом любого химического элемента состоит из ядра и электронов, вращающихся вокруг него. Размер атома примерно 10-10 м, а ядра до 10-14-10-15 м. Основная масса атома (до 99,95%) приходится на ядро, которое, в свою очередь, состоит из протонов и нейтронов. Заряд протона положителен и по абсолютной величине равен заряду электрона ( Кл). Нейтрон не имеет заряда. Так как число электронов в атоме равно числу протонов в ядре, то атом электронейтрален. Простейший атом – атом водорода – состоит из одного протона (ядро) и одного электрона, вращающегося относительно ядра и находящегося на определенном энергетическом уровне, обозначаемом . На этом уровне электрон обладает энергией, которая складывается из потенциальной энергии взаимодействия его с ядром (она отрицательна) и кинетической энергии вращения электрона вокруг ядра. Полная энергия электрона в атоме отрицательна, электрон находится как бы в «потенциальной яме» поля ядра, так как при образовании атома потенциальная энергия электрона растет быстрее кинетической. Совокупность всех значений энергий, которыми может обладать система (атом, например), называется ее энергетическим спектром. Энергетический спектр любого электрона в атоме может иметь строго определенные значения энергии . Состояние электрона, в котором реализуется то или иное значение энергии, называется уровнем (n). Уровень, отвечающий состоянию с наименьшим значением энергии, основной, а все остальные уровни – возбужденные. Закономерности спектра атома водорода впервые были объяснены Н.Бором (постулаты Бора). Находясь в стационарном состоянии, атом не излучает и не поглощает энергию. Атом поглощает или излучает энергию в виде кванта (порции) при переходе из одного стационарного состояния (например n1) в другое (n2): , откуда , (1) где - частота излучаемого кванта, - постоянная Планка, и - соответственно энергии стационарных состояний атома до и после перехода электрона. Обычно вместо частоты рассматривают волновое число , которое показывает, сколько длин волн ( ) укладывается на единице длины (на 1 м), м/с – скорость света в вакууме. В дальнейшем объяснение природы спектров было дано квантовой механикой. Состояние электрона в атоме описывается уравнением Шредингера. Значение энергии электрона на разрешенном (стационарном) состоянии, даваемое теорией Шредингера, записывается для водородоподобного атома , (2) где - масса электрона, - заряд электрона, - порядковый номер элемента, - главное квантовое число, определяющее номер уровня, Ф/м - электрическая постоянная. При переходе из одного стационарного состояния ( ) в другое ( ) атом излучает или поглощает квант энергии. С учетом (1) частота излучения , а волновое число . Величина называется постоянной Ридберга. Для водорода , и тогда волновое число . (3) Из (3) можно получить значение постоянной Ридберга . (4) Формула (3) называется сериальной. Все описываемые ею спектральные линии могут быть объединены в серии, отличающиеся значением главных квантовых чисел. В спектре водорода экспериментально изучено шесть таких серий: 1. Серия Лаймана Линии этой серии возникают при переходе электронов со всех вышележащих уровней на 1 уровень. Они расположены в ультрафиолетовой области спектра. 2. Серия Бальмера Линии этой серии возникают при переходе электронов со всех вышележащих уровней на 2 уровень. Они в основном принадлежат видимой области спектра. 3. Остальные серии лежат в далекой инфракрасной области спектра: - - серия Пашена. Электроны переходят с вышележащих уровней на 3 уровень; - - серия Брэкета. Электроны переходят с вышележащих уровней на 4 уровень; - - серия Пфунда. Электроны переходят с вышележащих уровней на 5 уровень; - - серия Хэмфри. Электроны переходят с вышележащих уровней на 6 уровень. Схема энергетических уровней атома водорода приведена на рис.1. Наименьшей возможной энергией атома водорода является энергия – 13,6 эВ (основной уровень). По вертикальной шкале отложены значения энергии, по горизонтальной - указаны состояния с различными значениями орбитального квантового числа. Представлены только разрешенные квантовые переходы, т.е. такие, для которых . Согласно квантовой теории каждому значению , т.е. заданному значению энергии, соответствует различных состояний электрона (различные значения и ), и называется кратностью вырождения. В зависимости от значения орбитального числа принято обозначать следующие состояния электрона: s-состояние, p-состояние, d-состояние, f-состояние и т.д. Постоянную Ридберга можно экспериментально найти с помощью формулы (4). Для этого опытным путем определяются длины волн какой-либо серии. Наиболее удобно это сделать для видимой области спектра, т.е. для серии Бальмера. В настоящей работе определяются длины волн первых четырех наиболее ярких спектральных линий серии Бальмера. В этой серии , а принимает значения: (красная линия), (голубая линия), (фиолетовая линия), (темно-фиолетовая линия, слабо различимая). Таким образом, постоянная Ридберга определяется из четырех независимых измерений. При правильном выполнении эксперимента, значения получатся близкими (в пределах точности измерений). Это и означает, что линии серии Бальмера подчиняются определенной сериальной закономерности. Практическая часть
В данной работе используется монохроматор УМ-2 и две спектральные лампы - ртутная и водородная. Питание ламп осуществляется от специального устройства. Монохроматор УМ-2 используется в данном случае как спектроскоп. Для этого выходная щель монохроматора заменена окуляром, что позволяет наблюдать спектр визуально. Монохроматор служит в работе для определения длин волн линий в спектре водорода. Оптическая схема монохроматора показана на рис. 2: 1-источник света, 2-защитное стекло щели, 3-щель коллиматора, 4-объектив коллиматора, 5-диспергирующая призма, 6-объектив зрительной трубы, 7-указатель в фокальной плоскости окуляра, 8-окуляр зрительной трубы. Объектив коллиматора, в фокусе которого находится щель, образует параллельный пучок света и направляет его на призму 5. Призма преобразует этот пучок в систему параллельных пучков, выходящих за счет дисперсии под различными углами, зависящими от длины волны. Объектив зрительной трубы фокусирует отдельные параллельные пучки и образует в фокальной плоскости совокупность монохроматических цветных изображений входной щели, которые представляют собой спектры, наблюдаемые с помощью окуляра. Общий вид монохроматора показан на рис. 3: 1-коллиматор (внутри), 2-щель, ширина которой регулируется микрометрическим винтом 3. Винт 4 служит для фокусировки изображения спектральных линий. Поворот призмы 5 осуществляется вращением барабана 6. В зависимости от положения призмы в поле зрения попадает тот или иной участок спектра. На барабане нанесена шкала в относительных делениях - градусах поворота самого барабана. Шкала барабана освещается осветителем 7, включение которого производится тумблером 8. В фокальной плоскости окуляра 9 зрительной трубы 10 находится указатель 11 (на рис. 2 указатель 7). Спектральные лампы. Ртутная лампа. Для того чтобы привести в соответствие деления шкалы барабана с длинами волн, монохроматор необходимо проградуировать. Для градуировки используется газоразрядная ртутная лампа с линейчатым спектром излучения. Включение лампы производит преподаватель. Водородная лампа. В качестве источника света, спектр которого изучается в данной работе, применяется газоразрядная водородная трубка Гейслера. Трубка представляет собой Н-образный стеклянный баллон, заполненный водородом при давлении порядка нескольких мм.рт.ст. В колена трубки впаяны электроды, на которые подается переменное напряжение 3000 В. В трубке устанавливается тлеющий разряд. В столбе газового разряда происходит диссоциация молекул водорода, атомы которого, возбуждаясь, излучают характерный для атомарного водорода спектр. |
Похожие:
 | Учебное пособие по английскому языку для студентов заочного обучения экономических специальностей |  | Учебное пособие предназначено для студентов заочного отделения, обучающихся по направлению подготовки 43. 03. 03 Гостиничное дело.... |
| Методические указания предназначены для самостоятельного изучения предмета, выполнения контрольной работы и подготовки к экзамену... | | Методическое пособие для выполнения контрольной работы по курсу «Психология и педагогика» составлено старшим преподавателем Л. В.... |
| Учебно-методическое пособие предназначено для студентов очной и заочной форм обучения для всех специальностей, предусматривающих... | | Учебное пособие предназначено для подготовки студентов экономико-управленческих специальностей по программе группового проектного... |
| Ч 15. English Grammar (Term I): Учебное пособие по грамматике английского языка для студентов всех специальностей очной и очно-заочной... | | Учебное пособие предназначено для студентов специальности 270105 Городское строительство и хозяйство, может быть использовано для... |
| Методические рекомендации предназначены для студентов и выпускников всех специальностей очного и заочного обучения, могут использоваться... | | Методические рекомендации предназначены для студентов и выпускников всех специальностей очного и заочного обучения, могут использоваться... |