Bevezetés
ebben a kísérletben megfigyelheti a héliumgáz elektromos kisüléséből származó fény látható hullámhosszait diffrakciós rács segítségével. A hullámhossz-értékek ismerete alapján önképes lesz pontosan kalibrálni a diffrakciós rácsvonal-távolságot. A kalibrálás után a rácsot az atomi hidrogén által termelt fény hullámhosszának mérésére használják. A mért hullámhosszokhoz illeszkedő görbe végrehajtásával meghatározhatja a Rydberg állandót, amely fontos fizikai állandó., Ez egy olyan kísérlet, amelyben a gondos technika és a mérés megtérül: meg kell tudni határozni a Rydberg állandót egy százalékon belül vagy annál jobb. A hélium és a hidrogéngáz olyan kisnyomású kisülőcsövekben található, amelyek mindkét végén fémelektródák vannak. Ha nagy feszültséget alkalmaznak a két elektródán, elektromos áram áramlik a gázon. Az elektromos áramban lévő nagy energiájú elektronok gázatomokkal ütköznek, és a folyamat során belső energiát adhatnak az atomoknak., Ezek az izgatott atomok ezután energiát bocsáthatnak ki elektromágneses sugárzás formájában meghatározott hullámhosszon. Az elektromágneses sugárzás egy részea látható tartományban.Egy svájci tanár, Johann Balmer (1825 – 1898) tanulmányozta a hidrogénatomok által kibocsátott látható fény hullámhosszát. Talált egy empirikus egyenletet, amely pontosan megegyezik az értékekkela megfigyelt hullámhosszak.,
λ
= R
−
n2
, n = 3, 4, 5, 
Itt R a Rydberg-állandó 1, amely már pontosan mért, majd kiderült, hogy az az érték, R = 10973731.5683 ± 0.0003 m–1. Az n változó minden olyan egész szám, amely egyenlő vagy nagyobb, mint 3. Az N = 3, 4, 5 hullámhosszok sorozata …, az úgynevezett Balmer sorozat.,1 az atomszerkezet Modern kvantumelmélete az R értékét más alapvető állandók szempontjából jósolja: c (fénysebesség), h (Planck állandó), e (az elektron töltése), m (az elektron tömege). A kísérletileg mért értéke R fent megadott egyetért az elméleti becslés belül a kombinált bizonytalanságok ezen egyéb alapvető állandók, ezáltal hitelt az elmélet. Ez egy jó példa arra, ahol a hibaelemzés kulcsfontosságú abban, hogy meghatározzuk, hogy a fizika elmélete valóban leírja-e a természetet.,Diffrakciós rács használható a kisülési csőből kibocsátott fény egyes hullámhosszainak megfigyelésére. Az Ön által használt rácsnak körülbelül 300 vonal/mm-es vonal-vagy horonysűrűsége van, így a d sortávolság 3 × 10-6 m. mivel a kisülőcsőből származó λ hullámhossz fénye áthalad a rácson, a rács egyenlet által megadott θ szögben diffraktálódik.
itt m egy egész szám, amelyet a diffrakció sorrendjének neveznek., Az Ön által használt rácshoz a = ± 1 és m = ± 2 rendelések könnyen megfigyelhetők.A fent látható kísérleti elrendezést az 1. ábra mutatja. Megtekintheti a kisülési cső fényét a diffrakciós rácson keresztül. A cső bal és jobb oldalán a mérőpálca felett és alatt megjelenő kisülési cső színes képeit kell látnia. A 2.ábra a rácson keresztül látható nézetet mutatja.,
1.ábra
az 1. ábrán látható módon az egyes hullámhosszok első rendje a θ, az EQ megfelelő szögben jelenik meg. (2)
. Ezért különböző hullámhosszok jelennek meg a mérőpálca különböző helyszínein. A szög megfelelő minden hullámhosszon lehet mérésével D L.
2. Ábra: a Spektrális vonalak láttam át az optikai rácsot egy méter a kisülési cső.
ha λ és θ Eq-ban ismertek., (2)
, akkor D meghatározható. Hét ismert hullámhosszon méri a θ-t héliumban. A görbe illeszkedés lehetővé teszi, hogy pontosan meghatározza a rács távolságát d. a labor második részében ezt a D értéket használja a hidrogén hullámhosszainak pontos mérésére.
eljárás
óvatosan járjon el a kisülőcső tápegysége körül. 5000 Voltot termel, elegendő árammal, hogy veszélyes legyen. Ne érintse meg a tápelektródákat vagy a csövet, amíg a tápellátás be van kapcsolva., Kapcsolja ki a tápegységet a kisülési csövek cseréjekor. Mivel a terület használat közben nagyon forró lesz, kerülje a csövek közepének megragadását.
1.rész: hélium spektrum
állítsa be az 1. ábrán látható elrendezést. Ellenőrizze, hogy a kisülőcső tápegysége ki van-e húzva és ki van-e kapcsolva. Helyezzen be egy hélium gázcsövet az elektródatartókba. (A csövek törékenyek; kérjük, óvatosan kezelje őket.) A csövet egyenesen felfelé és lefelé kell elhelyezni, és a mérőpálcán lévő 50 cm-es jel közelében kell elhelyezni.,
csatlakoztassa és kapcsolja be a tápegységet. A kisülési csőnek azonnal világítania kell. Ha nem, kérjen segítséget oktatótól. Az egyik laboratóriumi partnernek át kell néznie a diffrakciós rácsot, míg a másik partner a mérőpálca másik oldalán dolgozik, leolvasva.
a diffrakciós rácson áthaladó személynek a kisülési cső bal és jobb oldalán kell kinéznie, hogy megtalálja a diffrakciós képeket. Keresse meg az első sorrendet
és a második sorrendet
képek., Szükség esetén forgassa el a rácsot úgy, hogy a képek a mérőpálca felett vagy alatt ugyanúgy jelenjenek meg, mint maga a kisülési cső.
az 1. táblázat felsorolja a hélium spektrum hét legfényesebb látható vonalának hullámhosszát a legrövidebb vagy a leghosszabb hullámhossz sorrendjében. Az egyes diffrakciós sorrendű képek ugyanabban a sorrendben jelennek meg, a legkisebb hullámhosszúsággal a legkisebb szögben. Illessze össze a képeket a felsorolt hullámhosszokkal. A jobb oldali rácson keresztül keresse meg az első kép helyzetét a mérőpálca mentén., A rácson átfutó laborpartnernek utasítania kell a másik laborpartnert, hogy egy kis mutatót (pl. ceruzát) helyezzen el a mérőpálca mentén, amíg a mutató összhangban van a mért képpel. A mutatóval rendelkező partner ezután elolvassa a pozíciót a mérőpálca mentén. Használjon alacsony teljesítményű olvasólámpát, ha szükséges, olvassa el a mérőpálcát. Jegyezze fel az egyes héliumvonalak XR helyzetét az 1. táblázatban.
ismételje meg a folyamatot a kisülési cső bal oldalán megjelenő hét kép esetében., Rögzítse az egyes képek XL helyzetét az 1. táblázatban.
2. rész: Hidrogénspektrum
kapcsolja ki és húzza ki a kisülési tápegységet, és hagyja, hogy a kisülési cső néhány percig lehűljön. (Vigyázat: a cső nagyon forró lesz, amikor először kikapcsolja a tápegységet.) Távolítsa el a héliumcsövet és cserélje ki a hidrogéncsőre. Helyezze újra a tápegységet a hidrogéncsővel 50 cm-es helyzetben a mérőpálca mentén.
a hidrogénben három könnyen megfigyelhető szín szerepel a 2.táblázatban., Illessze össze a színeket a diffrakciós rácson keresztül látható képekkel. Jegyezze fel az első rendű képek XR és XL pozícióit a 2. táblázatban.
anélkül, hogy megzavarná a mérőpálcát vagy a diffrakciós rácsot, gondosan mérje meg az L távolságot az 1.ábrán egy metrikus mérőszalag segítségével. Tartalmazza a rögzített érték bizonytalanságát.,
Analysis
Grating Spacing d
minden hélium hullámhosszra számítsa ki a kisülési cső és az elsőrendű képek közötti átlagos távolságot a következő egyenlet segítségével.
XR − XL
2
tan θ =
d
L
, θ,
és a bűn minden hullámhosszra. Jegyezze fel számításait a 3. táblázatban.
plot λ vs., sin θ és a legkisebb négyzetes lineáris illeszkedést használva keresse meg a lejtőt. A gráf meredekségéből keresse meg a rácsközre vonatkozó legjobb becslést, d, méterben és a becsült hibát d-ben.
Rydberg állandó
a fenti 1. lépésben alkalmazott eljárást követve keresse meg a Sin θ-t minden megfigyelt hidrogén hullámhosszra, és rögzítse azokat a 4. táblázatban.
a fenti 2. lépésben található rácstávolság és a rács egyenlet értékével, Eq., (2)
kiszámítja a megfigyelt három hidrogénvonal hullámhosszát méterben, és rögzíti azokat a 4.táblázatban.
végezzen legalább négyzetes lineáris illeszkedést az adataihoz.
Eq. (1)
λ
= R
−
n2
, n = 3, 4, 5,
átírható a következő formában.,
λ
= R
no2
−
n2
Hasonlítsa össze ebben a formában, hogy a görbének megfelelő egyenlet találni értékek a állandók R, meg nem is. A görbe fit által megadott meredekség hibájából keresse meg az R.
Discussion
bizonytalanságát a rácstávolság és a Rydberg állandó (mind értékeik, mind bizonytalanságaik) értékére vonatkozóan., Hasonlítsa össze mennyiségileg a Rydberg állandó értékét az elfogadott r = 10973732 m–1 értékkel.