Файл: Физика изучение спектра излучения атома водорода Методические указания к лабораторной работе Электронный учебный материал Минск 2020.docx

Составители: доктор физ.-мат. наук, профессор Зенькевич Э.И. канд. физ.-мат. наук, доцент Качан С.М.

канд. физ.-мат. наук, доцент Митькина Н.Н.


Рецензент: доктор физ.-мат. наук, профессор кафедры "Лазерная физика и спектроскопия " БГУ Воропай Е.С.

В издании представлены методические указания к выполнению лабораторной работы по физике в разделе "Оптика и атомная физика" для студентов технических специальностей университетов, включающие в себя теоретическую часть, контрольные вопросы и порядок выполнения работы, заключающейся в наблюдении серии Бальмера в спектре излучения атома водорода с помощью призменного монохроматора и определении длин волн наблюдаемой серии как экспериментально, так и теоретически.


Белорусский национальный технический университет. Факультет информационных технологий и робототехники. ул. Б.Хмельницкого, 9, г. Минск, Республика Беларусь

Тел.: (017) 292-71-53

E-mail: tf@bntu.by http://www.bntu.by/fitr.html

Регистрационный № БНТУ/ФИТР47-74.2020

Содержание


Контрольные вопросы 4

1. 
   Введение 5
   
2. 
   Постулаты Бора 8
   
3. 
   Атом водорода по Бору 10
   
4. 
   Спектральные серии атома водорода 13
   
5. 
   Атом водорода в квантовой механике 14
   
6. 
   Определение длин волн спектральных линий в серии Бальмера спектра излучения атома водорода 17
   

---

Описание установки 17

Порядок проведения измерений и обработка

результатов 19

Градуировка монохроматора 20

Определение длин волн в серии Бальмера с помощью призменного монохроматора 21

Список литературы 23

Цельработы.

1. 
   Изучить теорию атома водорода в модели Бора и в рамках квантовой механики.
   
2. 
   Экспериментально определить длины волн в видимой области спектра излучения атома водорода и сопоставить их с теоретическими значениями.
   

Приборыипринадлежности

1. 
   Водородная лампа
   
2. 
   Ртутная лампа
   
3. 
   Призменный монохроматор УМ-2
   
4. 
   Миллиметровая бумага формата А4
   

Порядоктеоретическойподготовкиквыполнениюработы

Изучить теоретический материал и законспектировать в тетрадь ответы на контрольные вопросы.

Контрольныевопросы

1. 
   Атом водорода по Резерфорду. Постулаты Бора.
   
2. 
   Атом водорода по Бору. Какие физические величины, определяющие состояние электрона в атоме, принимают дискретные значения?
   
3. 
   Энергия электрона в атоме водорода. Схема энергетических уровней атома водорода. Основное и возбужденные состояния атома водорода.
   
4. 
   Определение энергии ионизации атома водорода и формула для ее оценки.
   
5. 
   Определение спектральных серий в спектрах излучения атома водорода. Какая серия в спектре атома водорода расположена в видимой части спектра?
   
6. 
   Стационарное уравнение Шредингера для электрона в атоме водорода.
   
7. 
   Квантовые числа, их связь с физическими величинами.
   
8. 
   Принципиальная схема призменного монохроматора.
   
9. 
   В чем заключается градуировка монохроматора?
   
   1. 
      Введение
      

---

Согласно философскому учению древних греков, все материальные вещи состоят из химически неделимых частиц – атомов. Сами атомы греки считали мельчайшими, невозникающими и неисчезающими, качественно однородными, непроницаемыми частицами, обладающими определённой формой. В XVIII веке А. Лавуазье, М.В. Ломоносов, М. Фарадей, Д.И. Менделеев и другие ученые доказали реальность существования атомов. Однако вопрос об их внутреннем устройстве даже не возникал. Прошли века и вплоть до XIX века ученые предполагали, что атом является неделимым.

Первые модели строения атома появились лишь в конце XIX - начале XX веков. Так, в 1897 г. молодой английский физик Дж. Дж. Томсон, исследуя поведение катодных лучей под воздействием магнитного и электрического полей открыл электрон и измерил отношение заряда электрона к массе e/m. После этого открытия стало ясно, что электроны должны существовать в составе атомов, но несмотря на присутствие отрицательно заряженных электронов, атом в целом должен быть электронейтральным.

---

того времени, чем другие гипотезы. В настоящее время она имеет лишь исторический интерес как одно из звеньев в цепи развития представлений о строении атомов.

В1909–1911гг.первыепрямыеэкспериментыпоисследованиюстроенияатомовбыли выполненыЭ. Резерфордоми его сотрудниками Э. Марсденом и Х. Гейгером. В этих экспериментах атомы мишени (тонкой фольги из тяжелого металла - золота, серебра, меди и др.) бомбардировались α- частицами с кинетической энергией около 5 МэВ (скорость 

10⁷ м/с). Отметим, что α-частицы – это дважды ионизированные атомы гелия, масса α-частиц приблизительно в 7300 раз больше массы электрона, а положительный заряд равен удвоенному элементарному заряду.

В экспериментах Резерфорда исследовались закономерности рассеяния, то есть изменения

---

направления движения α-частиц при их столкновении с мишенью (схема опыта приведена на рисунке 2). Вылетая из источника, находящегося в защитном свинцовом контейнере, α-частицы достигали мишени (тонкая металлическая фольга). Рассеянные от мишени α- частицы попадали на экран, покрытый слоем кристаллов сульфида цинка, способных светиться в виде коротких вспышек под ударами быстрых частиц. Эти вспышки (сцинтилляции) на экране наблюдались глазом с помощью микроскопа, который устанавливался под различными углами φ к первоначальному направлению пучка α-частиц. В ходе этих экспериментов были установлены следующие принципиальные факты: 1) большинство α- частиц проходит через тонкий слой металла, практически не испытывая отклонения; 2) небольшая часть частиц отклоняется на значительные углы, превышающие 30°; 3) в очень редких случаях (приблизительно один на десять тысяч наблюдений) α-частицы испытывали отклонение на углы, близкие к 180°, т.е. практически рассеивались назад.

---