Introducere
în acest experiment, veți observa lungimile de undă vizibile ale luminii produse de o descărcare electrică în gazul de heliu, folosind un grilaj de difracție. Din cunoașterea valorilor lungimii de undă, tuva fi capabil să calibreze cu precizie distanța de linie a grătarului de difracție. Odată calibrat, grilajul este utilizat pentru a măsura lungimea de undă a luminii produse de hidrogenul atomic. Prin efectuarea unei curbe potrivite acestor lungimi de undă măsurate, puteți determina Constanta Rydberg, o constantă fizică importantă., Acesta este un experiment în care tehnica și măsurarea atentă vor plăti: ar trebui să puteți determina Constanta Rydberg la un procent sau mai bine. Gazele de heliu și hidrogen sunt conținute în tuburi de descărcare de joasă presiune care au electrozi metalici la fiecare capăt. Când se aplică o tensiune înaltă pe cei doi electrozi, un curent electric curge prin gaz. Electronii de mare energie din curentul electric se ciocnesc cu atomii de gaz și, în acest proces, pot da energie internă atomilor., Acești atomi excitați pot elibera apoi Energie sub formă de radiații electromagnetice la lungimi de undă specifice. O parte din această radiație electromagnetică esteîn intervalul vizibil.Un profesor elvețian pe nume Johann Balmer (1825 – 1898) a studiat lungimile de undă ale luminii vizibile emise de atomii de hidrogen. El a găsit o ecuație empirică care se potrivește cu exactitate valorilordin lungimile de undă observate.,
λ
= R
n2
, n = 3, 4, 5, 
Aici R este constanta Rydberg 1, care a fost măsurată cu precizie și a fost găsit pentru a avea valoarea R = 10973731.5683 ± 0.0003 m–1. Variabila n este orice număr întreg egal sau mai mare de 3. Seria de lungimi de undă care rezultă din n = 3, 4, 5, …, se numește seria Balmer.,1 Teoria cuantică modernă a structurii atomice prezice valoarea lui R în termeni de alte constante fundamentale: c (viteza luminii), h (constanta lui Planck), e (sarcina electronului) și m (masa electronului). Valoarea măsurată experimental a lui R dată mai sus este de acord cu predicția teoretică în cadrul incertitudinilor combinate ale acestor alte constante fundamentale, dând astfel credibilitate teoriei. Acesta este un bun exemplu în care analiza erorilor este esențială pentru a ne ajuta să determinăm dacă o teorie din fizică descrie cu adevărat natura.,Un grilaj de difracție poate fi utilizat pentru a observa lungimile de undă individuale ale luminii emise de tubul de descărcare. Grilajul va fi folosind are o linie sau groove densitate de aproximativ 300 linii/mm, astfel, linia spațierea d este pe ordinea de 3 × 10-6 m. Ca lumină de lungime de undă λ de la descărcarea de gestiune tub trece prin grilaj, este trecerea printr-un unghi, θ, dat de grilaj ecuație.
aici m este un număr întreg și se numește ordinea difracției., Pentru grilajul pe care îl veți folosi, comenzile = ± 1 și m = ± 2 vor fi ușor observabile.Aranjamentul experimental așa cum se vede de sus este prezentat în Figura 1. Vedeți lumina tubului de descărcare privind prin grătarul de difracție. În partea stângă și dreaptă a tubului, ar trebui să puteți vedea imagini colorate ale tubului de descărcare care apar deasupra și sub bastonul contorului. Figura 2 prezintă vederea văzută prin grilaj.,
Figura 1
așa Cum se arată în Figura 1, prima comanda de imagine pentru fiecare lungime de undă va apărea la un unghi, θ, satisface Ecuația. (2)
. Prin urmare, diferite lungimi de undă vor apărea în diferite locații de-a lungul stick-metru. Unghiul corespunzător fiecărei lungimi de undă poate fi determinat prin măsurarea D și L.
Figura 2: linii spectrale văzute prin grilajul de difracție la un metru de un tub de descărcare.
Dacă λ și θ sunt cunoscute în Eq., (2)
, atunci d poate fi determinat. Veți măsura θ pentru șapte lungimi de undă cunoscute în heliu. O potrivire a curbei vă va permite apoi să determinați cu exactitate distanța de grătare d.în a doua parte a Laboratorului, veți utiliza această valoare a lui d pentru a măsura cu precizie lungimile de undă în hidrogen.
procedura
utilizați precauție extremă în jurul sursei de alimentare a tubului de descărcare. Produce 5000 volți cu curent suficient pentru a fi periculos. Nu atingeți electrozii de alimentare sau tubul în timp ce alimentarea este pornită., Opriți sursa de alimentare la schimbarea tuburilor de descărcare. Deoarece zona devine foarte fierbinte în timpul utilizării, evitați să prindeți mijlocul tuburilor.
Partea 1: spectrul heliului
configurați aranjamentul prezentat în Figura 1. Asigurați-vă că sursa de alimentare a tubului de descărcare este deconectată și oprită. Introduceți un tub de gaz de heliu în suporturile electrodului. (Tuburile sunt fragile; vă rugăm să le manipulați cu grijă.) Tubul trebuie să fie drept în sus și în jos și poziționat lângă marcajul de 50 cm de pe bastonul contorului.,
conectați și porniți sursa de alimentare. Tubul de descărcare trebuie să se aprindă imediat. Dacă nu, vă rugăm să vă instructor pentru asistență. Un partener de laborator ar trebui să se uite prin grilajul de difracție, în timp ce celălalt partener lucrează pe partea opusă a bățului contorului, luând lecturi.
persoana care se uită prin grilajul de difracție ar trebui să privească la stânga și la dreapta tubului de descărcare pentru a localiza imaginile de difracție. Localizați prima ordine
și a doua ordine
imagini., Dacă este necesar, rotiți grătarul astfel încât imaginile să apară chiar deasupra și sub bastonul contorului în același mod în care tubul de descărcare în sine.
Tabelul 1 enumeră lungimile de undă a șapte dintre cele mai strălucitoare linii vizibile din spectrul heliului în ordinea lungimii de undă cea mai scurtă până la cea mai lungă. Imaginile pentru fiecare ordine de difracție vor apărea în aceeași ordine, cu cea mai mică lungime de undă la cel mai mic unghi. Potriviți imaginile cu lungimile de undă enumerate. Privind prin grătarul din dreapta, localizați poziția primei imagini de-a lungul stick-ului contorului., Partenerul de laborator în căutarea prin grilaj ar trebui să instruiască celălalt partener de laborator pentru a poziționa un pointer mic (de exemplu, un creion) de-a lungul stick-metru până când indicatorul este în conformitate cu imaginea măsurată. Partenerul cu indicatorul citește apoi poziția de-a lungul bățului contorului. Utilizați o lampă de citire cu putere redusă, dacă este necesar, pentru a citi stick-ul contorului. Înregistrați poziția XR a fiecăreia dintre liniile de heliu în tabelul 1.
repetați procesul pentru cele șapte imagini care apar în stânga tubului de descărcare., Înregistrați poziția XL a fiecărei imagini în tabelul 1.
Partea 2: spectrul de hidrogen
opriți și deconectați sursa de alimentare de descărcare și lăsați tubul de descărcare să se răcească câteva minute. (Atenție: tubul va fi foarte fierbinte când opriți alimentarea pentru prima dată.) Scoateți tubul de heliu și înlocuiți-l cu tubul de hidrogen. Poziționați din nou sursa de alimentare cu tubul de hidrogen în poziția de 50 cm de-a lungul tijei contorului.
Trei culori ușor observate în hidrogen sunt enumerate în tabelul 2., Potriviți culorile cu imaginile văzute prin grilajul de difracție. Înregistrați pozițiile XR și XL ale imaginilor de ordinul întâi în tabelul 2.
Fără a perturba metru stick sau rețea de difracție, cu atenție se măsoară distanța L în Figura 1, folosind o metrică ruletă. Includeți incertitudinea în valoarea înregistrată.,
analiză
spațiere grilaj d
pentru fiecare lungime de undă a heliului, calculați distanța medie dintre tubul de descărcare și imaginile de ordinul întâi folosind următoarea ecuație.
XR − XL
calcula, de Asemenea,
D
L
, θ,
și sin θ pentru fiecare lungime de undă. Înregistrați calculele în tabelul 3.
plot λ vs., sin θ și, folosind o potrivire liniară cel puțin pătrată, găsiți panta. Din panta de grafic, găsi cea mai bună estimare pentru grilaj de spațiere, d, în metri și eroare estimată în d.
Rydberg Constanta
Urma aceeași procedură de la pasul 1 de mai sus, găsiți sin θ pentru fiecare dintre hidrogen lungimi de undă ați observat și le înregistrează în Tabelul 4.
folosind valoarea pentru spațierea grătarului găsită la pasul 2 de mai sus și ecuația grătarului, Eq., (2)
, calculați lungimea de undă, în metri, a celor trei linii de hidrogen pe care le-ați observat și le înregistrați în tabelul 4.
efectuați o potrivire liniară pătrată la datele dvs.
Eq. (1)
λ
= R
n2
, n = 3, 4, 5,
poate fi rescrisă în forma următoare.,
λ
= R
no2
n2
Compara acest formular pentru a-ți curbei de ecuație pentru a găsi valorile pentru constantele R și nr. Fromthe eroare în panta dată de curba fit, găsi incertitudinea pentru R.
discuție
rezumați rezultatele pentru valoarea spațiere grilaj și Constanta Rydberg (atât valorile lor și incertitudinile lor)., Comparați cantitativ valoarea dvs. pentru Constanta Rydberg cu valoarea acceptată R = 10973732 m-1.