Innledning
I dette eksperimentet, vil du observere den synlige bølgelengder av lys som er produsert av en elektrisk utladning i helium gass, ved hjelp av et diffraksjonsgitter. Fra kunnskap om bølgelengde verdier, youwill være i stand til å nøyaktig kalibrere diffraksjonsgitter linjeavstand. Når kalibrert, rist brukes til å måle bølgelengde av lys som produseres av atomic hydrogen. Ved å utføre en kurve som passer til disse målte bølgelengder, kan du finne Rydberg konstant, en viktig fysisk konstant., Dette er et eksperiment hvor forsiktig teknikk og måling vil lønne seg: du bør være i stand til å fastslå Rydberg konstant innenfor en prosent eller bedre. Helium og hydrogen gasser som finnes i lav-press-utslipp rør som har metall elektroder i hver ende. Når en høy spenning over de to elektroder, en elektrisk strøm flyter gjennom gass. Høy-energi elektronene i den elektriske strømmen kolliderer med gass atomer og i prosessen, kan gi indre energi til atomer., Disse spent atomer kan deretter frigjøre energi i form av elektromagnetisk stråling ved bestemte bølgelengder. Noe av denne elektromagnetisk stråling isin det synlige området.En Sveitsisk lærer som heter Johann Balmer (1825 – 1898) studerte bølgelengder av synlig lys som slippes ut av hydrogen atomer. Han fant en empirisk likning som nøyaktig matcher valuesof observert bølgelengder.,
λ
= R
−
n2
, n = 3, 4, 5, 
Her R er Rydberg konstant 1, som har blitt nøyaktig målt og funnet å ha verdi for R = 10973731.5683 ± 0.0003 m–1. Variabelen n er et heltall større enn eller lik 3. Serien av bølgelengder som følge av n = 3, 4, 5, … kalles Balmer-serien.,1 Moderne kvanteteori av atom-strukturen anslår verdien av R i forhold til andre fundamentale konstanter: c (lyshastigheten), h (plancks konstant), e (kostnad av elektron) og m (masse av elektron). Den eksperimentelt målt verdi av R gitt ovenfor er enig med den teoretiske prediksjon innenfor den samlede usikkerheten i disse andre fundamentale konstanter, og dermed gi troverdighet til den teorien. Dette er et godt eksempel på hvor feil analyse er nøkkelen til å hjelpe oss å avgjøre om eller ikke en teori i fysikk virkelig beskriver naturen.,Et diffraksjonsgitter kan brukes til å observere den enkelte bølgelengder av lyset som avgis fra utslipp rør. Den rist du skal bruke har en linje eller groove tetthet på ca 300 linjer/mm, dermed linjeavstand d er på rekkefølgen på 3 × 10-6 m. Som lys med bølgelengde λ fra utslipp rør går gjennom rist, det er diffracted gjennom en vinkel θ, gitt av rist-ligningen.
Her m er et heltall, og er kalt rekkefølgen av diffraksjon., For rist du vil bruke, dem = ± 1 og m = ± 2 bestillinger vil være lett observerbare.Den eksperimentelle arrangement som sett ovenfra er vist i Figur 1. Du viser utslipp tube lys ser gjennom diffraksjonsgitter. Av til venstre og høyre sider av røret bør du være i stand til å se fargede bilder av utslipp rør som vises ovenfor og nedenfor måleren stick. Figur 2 viser visningen sett gjennom rist.,
Figur 1
Som vist i Figur 1, den første bestillingen bilde for hver bølgelengde vil vises i en vinkel, θ, tilfredsstillende Eq. (2)
. Derfor, forskjellige bølgelengder vil vises på forskjellige steder langs meter stick. Vinkelen som svarer til hver bølgelengde kan bestemmes ved å måle D og L.
Figur 2: Spektral linjer sett gjennom diffraksjonsgitter en meter fra et utslipp rør.
Hvis λ og θ er kjent i Eq., (2)
, så d kan være bestemt. Du vil måle θ for sju kjent bølgelengder i helium. En kurve som passer vil gjøre deg i stand til å nøyaktig bestemme rist avstanden d. I den andre delen av laboratorium, vil du bruke denne verdien til d for å måle bølgelengder i hydrogen.
Prosedyre
– >
Bruk ekstrem forsiktighet rundt utslipp rør strømforsyning. Det gir 5000 volt med tilstrekkelig strøm til å være farlig. Ikke berør tilførsel elektroder eller røret mens tilbudet er slått på., Slå av strømtilførselen når du endrer utslipp rør. Siden området blir svært varm under bruk, unngå å ta tak i midten av rørene.
Del 1: Helium Spektrum
Sette opp arrangement vist i Figur 1. Sørg for at utslipp rør strømforsyningen er koblet til og slått AV. Sett inn en helium gass rør i elektrode holdere. (Rørene er skjøre, kan du håndtere dem med forsiktighet.) Røret skal være rett opp og ned og plassert nær 50 cm-merket på måleren stick.,
sett i kontakten og slå på strømforsyningen. Utslipp rør bør umiddelbart lys. Hvis den ikke gjør det, spør du instruktør for å få hjelp. En lab partner bør se gjennom diffraksjonsgitter mens den andre partner fungerer på motsatt side av måleren stick tar målingene.
en person som ser gjennom diffraksjonsgitter bør se til venstre og høyre for utslipp røret for å finne diffraksjon bilder. Finn den første bestillingen
og andre ordens
bilder., Hvis nødvendig, kan du rotere rist slik at bildene vises bare ovenfor og nedenfor måleren stick på samme måte utslipp rør selv gjør.
Tabell 1 viser hvilke bølgelengder av syv av de smarteste synlige linjer i helium spektrum i rekkefølgen på kortest mulig å lengste bølgelengden. Bilder for hver diffraksjon ordre vil vises i samme rekkefølge, med den minste bølgelengden på den minste vinkelen. Matche opp bilder med bølgelengder som er oppført. Se gjennom rist til høyre, finne posisjonen til det første bildet langs meter stick., Laboratoriet partner, se gjennom rist bør instruere andre lab partner til å plassere en liten peker (f.eks. en blyant) langs meter stickuntil pekeren er i tråd med det bildet som blir målt. Partner med pekeren deretter leser posisjon langs meter stick. Bruk en lav-effekt leselampe hvis det er nødvendig å lese av måleren stick. Registrer den posisjon XR av hver av helium linjene i Tabell 1.
Gjenta prosessen for de syv bilder som vises til venstre for utslipp rør., Registrer den posisjon XL på hvert bilde i Tabell 1.
Del 2: Hydrogen Spektrum
Slå av og trekk støpslet ut av utslipp strømforsyning og tillate utslipp røret for å kjøle seg ned i flere minutter. (Obs: røret vil være svært varm når du først slå tilførsel av.) Fjern helium rør og erstatte det med hydrogen rør. Posisjon strømforsyningen igjen med hydrogen rør på 50 cm posisjon langs meter stick.
Tre lett observeres farger i hydrogen er listet opp i Tabell 2., Matche farger med bilder sett gjennom diffraksjonsgitter. Registrere posisjoner XR og XL av den første bestillingen bilder i Tabell 2.
Uten å forstyrre meter stick eller diffraksjonsgitter, nøye måle avstanden L i Figur 1 ved hjelp av en beregning målebånd. Inkluderer usikkerhet i din registrerte verdi.,
Analyse
Rist Avstand d
For hver helium bølgelengde, beregne den gjennomsnittlige avstanden mellom utslipp tube og den første bestillingen bilder ved hjelp av følgende ligning.
XR − XL
Også beregne
D
L
, θ,
og sin θ for hver bølgelengde. Ta opp dine beregninger i Tabell 3.
Plot λ vs., synd θ, og med bruk av en minste kvadrat lineær tilpasning, finner skråningen. Fra skråningen av diagrammet, kan du finne din beste estimat for den rist avstanden d i meter og beregnet feil i d.
Rydberg Konstant
Etter samme prosedyre som brukes i trinn 1 ovenfor, finn synd θ for hver av hydrogen bølgelengder du observert og spille dem inn i Tabell 4.
ved Hjelp av verdi for den rist avstand funnet i trinn 2 ovenfor og rist ligningen, Eq., (2)
, beregne bølgelengde i meter, av tre hydrogen linjer du observert og recordthose i Tabell 4.
Utføre en minst square lineær tilpasning til dataene.
Eq. (1)
λ
= R
−
n2
, n = 3, 4, 5,
kan bli omskrevet i følgende form.,
λ
= R
no2
−
n2
Sammenligne dette skjemaet til din kurven passer ligningen til å finne verdier for konstantene R og nr. Suge feil i skråningen gitt ved kurven som passer, kan du finne det usikkerhet for R.
Diskusjon
Oppsummere resultatene for verdien av rist avstand og Rydberg konstant (både deres verdier og deres usikkerheter)., Sammenligne kvantitativt din verdi for Rydberg konstant med verdien som aksepteres R = 10973732 m–1.