Материал: КФ №6

К числу триплетов относятся термы:

В связи со схемой термов и переходов в атоме ртути необходимо отметить, что для больших атомных номеров мультиплетное расщепление уровней из-за спина электрона имеет большие значения.

Например, для терма 6³Р_{0, 1, 2} это расщепление порядка нескольких эВ, тогда как для атома водорода дублетное расщепление терма 2²Р_{1/2, 3/2} всего порядка 4,54 10^-5 эВ.

Анализ спектров излучения и поглощения ртути в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях длин волн позволил составить схему возможных термов и переходов, приведенную на рис. 1.2.

Рис. 1.2.

С помощью этой схемы можно определить, каким переходам соответствует исследуемая линия ртути, и записать, пользуясь атомной символикой, соответствующий переход.

Общее число линий в спектре атома ртути составляет несколько десятков. Они располагаются в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областях.

На рис. 1.3 представлена схема спектральных линий атома ртути в видимой части спектра, доступных визуальному наблюдению

Рис.1.3.Спектр ртути

1. Описание установки и методика измерений

Для исследования спектров излучения ртути в работе применяется стилометр СТ-7, оптическая схема которого приведена на рис.2.1 (упрощенная схема).

Рис. 2.1.

По принципу действия стилометр аналогичен другим спектральным аппаратам. В данной работе он используется как обычный спектроскоп. Свет от ртутной лампы концентрируется конденсатором (1) на щель (2). Пройдя призму (3), световой пучок попадает на коллиматорный объектив (4) и далее разлагается в спектр блоком диспергирующих призм (5, 6, 7 ).

Действительное изображение спектра фокусируется объективом зрительной трубы (8) в плоскости, пересекающей гипотенузную грань призмы (10). Необходимое направление зрительной трубы задается призмой (9). Приведение анализируемых линий к границе раздела, расположенной в окуляре, осуществляется вращением блока диспергирующих призм (5, 6 и 7).

Спектральный аппарат (рис. 2.2) состоит из корпуса аппарата (1), основания (2), механизма щели (3). Детали механизма щели вмонтированы в корпус, скрепленный трубкой (4) с корпусом спектрального аппарата. Поворот плато со смонтированными на нем диспергирующими призмами осуществляется посредством вращения маховика (5). Весь спектр просматривается в поле зрения за пять оборотов маховика.

Барабан шкалы имеет сто делений, оцифрованных через каждые десять делений.

Внутри корпуса прибора имеется объектив, перемещением которого достигается резкость спектральных линий. Перемещение объектива производится вращением маховика (6).

Перемещение окуляра осуществляется вращением накатанного кольца (7).

Рис. 2.2. Стилометр

Источником света, дающим спектр атома ртути, является ртутно-кварцевая лампа сверхвысокого давления типа СВД-120А, рассчитанная на номинальную мощность 120Вт. Внутри лампы находится определенное дозированное количество ртути. Лампа наполнена аргоном. В первый момент после зажигания лампы дуга возникает в атмосфере аргона. После нескольких минут горения ртуть в лампе испаряется и в дальнейшем разряд происходит в атмосфере паров ртути при давлении 10-15 атмосфер. При дуговом разряде в парах ртути между концами токоведущих электродов лампа дает видимое и ультрафиолетовое излучение.

Лампа СВД-120А предназначена для работы на переменном токе и подключается последовательно с дросселем к выходным клеммам автотрансформатора. При пуске лампы напряжение на дросселе должно быть 220В при силе тока 1,7  2 А. В рабочем режиме напряжение на дросселе 140 В, сила тока 1,1  1,2 А. Напряжение на дросселе регулируется при помощи автотрансформатора.

3. Порядок выполнения работы

1. Перед щелью стилометра установить ртутную лампу СВД-120 А. Включить в сеть сетевой шнур.

2. С помощью автотрансформатора подать напряжение на лампу. В момент пуска напряжение должно быть 220 В, ток i₃ = 1,2 А.

3. После зажигания лампы автотрансформатором понизить напряжение до 140 В (ток становится при этом равным 1,1–1,2 А). Спустя несколько минут после установления в лампе разряда можно приступать к измерениям.

4. Наблюдая в окуляры стилоскопа (8) (рис. 2.2), с помощью маховика 5 добиться, чтобы в поле зрения появились линии спектра ртути (см. рис.1.3). Если нет хорошей четкости изображения спектра, произвести настройку, вращая маховик (6) или накатанное кольцо на окуляре (7).

5. Ведя наблюдение в окуляре, совместить с правым краем окна в центре окуляра последовательно все наблюдаемые линии спектра ртути, начиная с желтой и т.д.

6. Произвести отсчет показаний по оцифрованному барабану маховика (5) для всех видимых линий спектра ртути.

7. Данные записывать в таблицу 4.1.

8. Измерения провести не менее трех раз, чтобы можно было рассчитать среднее значение показаний .

9. Используя среднее значение показаний и градуировочный график, прилагаемый к прибору, найти длины волн видимых линий ртути .

10. Отключить напряжение, подводимое к ртутной лампе. Для этого рукоятку автотрансформатора поставить в нулевое положение.

11. Выключить сетевой шнур лампы из сети.

3. Обработка результатов

1. Результаты измерений записать в таблицу 4.1.

Таблица 4.1

В третьей строке таблицы приводятся значения , полученные при помощи рис. 1.3.

2. Начертить атлас линий ртути цветными карандашами, соблюдая масштаб.

3. Подсчитать и записать в таблицу 4.1 энергию кванта излучения , соответствующего каждой измеренной спектральной линии.

4. Используя диаграмму на рис.1.2, составить схему термов и переходов, соответствующих линиям, наблюдаемым в спектре ртути.

3. Требования к оформлению отчета

Отчет должен содержать:

1. Цель работы, список приборов и оборудования с указанием точности используемых приборов;

2. Основные расчетные формулы, таблицу 4.1 с внесенными в нее экспериментальными результатами, которые должны сравниваться с табличными значениями (в таблицу должны быть внесены энергии квантов излучения соответствующих каждой измеренной длине волны);

3. Спектрограмму линий ртути, выполненную цветными карандашами;

4. Схему термов и переходов, соответствующих линиям, наблюдаемым в спектре ртути (рис.1.2);

5. Выводы.

6. Контрольные вопросы

1. Каким образом возбуждаются атомы ртути в данной работе?

2. Каков физический смысл квантовых чисел . Какие значения они могут принимать?

3. Рассказать о квантовых числах .

4. Объяснить тонкую структуру энергетических уровней атома.

5. Какими квантовыми числами определяется энергия во многоэлектронных атомах и почему?

6. Как записать при помощи атомной символики энергетическое состояние (терм) атома?

7. Как происходит заполнение электронных энергетических оболочек и подоболочек в атомах?

8. Записать электронную конфигурацию атома ртути. Рассказать об ее особенностях.

9. В каких состояниях может находиться валентный электрон в атоме ртути при его возбуждении?

6. Литература

1. Савельев И.В. Курс общей физики [Текст]/ И.В. Савельев.– т. 3. – С.П.б: Изд-во «Лань», 2006, 512 с.

2. Иродов И.Е. Квантовая физика. Основные законы [Текст]/ И.Е. Иродов.– М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2001–256 с.

16