I Часть. Общие положения теории к лабораторном работам по атомной физике (стр. 8 )

32.Какую температуру должно иметь тело, чтобы оно при температуре окружающий среды 27°С излучало в 81 раз больше, чем поглощало?

33.Муфельная печь потребляет мощность 500 Вт. Температура ее внутренней поверхности при открытом отверстии диаметром 5 см равна 1000 К. Какая часть потребляемой мощности (в %) рассеивается стенками? Излучение из отверстия печи считать близким к излучению АЧТ

34.Вольфрамовая нить в вакууме при токе I А имеет установившуюся температуру 1000 К. При каком токе ее температура будет равна 3000 К? Считать, что потери тепла происходят только за счет
излучения. Электрические сопротивления проволоки при указанных температурах отличаются в 1,44 раза.

Лабораторная работам 346

ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕКТРОВ ПОГЛОЩЕНИЯ МОЛЕКУЛ В ГАЗАХ.

I. Цель и содержание работы.

Цель работы заключается в ознакомлении со спецификой строе­ния молекулярных спектров поглощения. Содержание работы состоит в определении частоты колебаний возбужденных двухатомных молекул иода и энергии, диссоциации при электронно-колебательном возбуж­дении этих молекул.

2. Краткая теория работы

1.  См. 4.1, Гл.4, §§ 1,6,

2.  Дополнение к теории

В данной работе измерения проводятся в видимой области спектра, где поглощение фотонов ведет к изменению как энергии электронов, так и энергии колебаний молекулы. Энергия поглощения фотона равна разности энергий конечного и начального состояний молекулы:

Измеряемые в работе линии поглощения связаны о переходом между одними и теми же электронными состояниями (рис.1).

Рис.1.

Поэтому для всех линий . Это обстоятельство позволяет по результатам измерений выделить колебательную составляющую в спектрах и рассчитать характеристики колебаний молекул в возбужденном состоянии.

Действительно, найдем разность энергий фотонов, соответствующих двум соседним линиям поглощения:

Эта разность

определяется уже только положением колебательных уровней энергии.

Если к тому же учесть, что соседние линии поглощения образуются при переходе с одного и того же колебательного уровня основного состояния молекулы на два ближайших уровня энергии возбужденного состояния (см. рис.1), то есть разность энергий фотонов соседних

линий спектра поглощения равна расстоянию между соседними коле­бательными уровнями энергии возбужденной молекулы. Так как уров­ни энергии по мере увеличения колебательного квантового числа сгущаются, расстояния между линиями поглощения также будут умень­шаться по мере приближения к коротковолновому краю спектра.

Если построить график зависимости разности энергий фотонов двух соседних линий поглощения от полной энергии фотонов ,то он будет иметь вид, изображенный на рис. 2. Точки на графике иллюстрируют разброс результатов измерений, вызванный в основном пропуском линий при измерении спектра. Усредненная кри­вая плавно продолжена (пунктиром) в области, где точные измерения невозможны из-за малой интенсивности линий или малого расстояния между ними. Видно, что в области малых энергий фотонов примерно постоянна, а с ростом энергии она постепенно уменьша­ется, обращаясь в нуль при .

Область постоянства относится к переходам на уровни с малой величиной колебательного квантового числа, когда колеба­ния можно приближенно считать гармоническими и расстояния между уровнями энергии примерно одинаковы:

Из этого соотношения можно определить основную частоту колебаний молекулы в возбужденном состоянии.

Рис.2.

Сближение линий при приближении к связано с перехо­дами на верхние колебательные уровни возбужденного электронного состояния молекулы. Энергию фотонов , соответствующую обра­щению в нуль, определяют, экстраполируя полученную в эксперименте кривую до пересечения с осью абсцисс. При поглощении фотонов с такой энергией размах колебаний возбужденной молекулы возрастает настолько, что молекула диссоциирует на отдельные атомы. Так как диссоциация при этом происходит при осуществлении сразу двух механизмов - изменения состояния электронов и увели­чения энергии колебаний, то определяемую таким образом можно назвать энергией диссоциации при электронноколебательном возбуждении молекулы.

3. Приборы для выполнения работы

Используемая в работе установка (рис.3) состоит из следу­ющих частей: I - осветитель, содержащий охлаждаемую вентилято­ром мощную лампу накаливания, дающую сплошной спектр излучения; 2 - стеклянная кювета с плоскопараллельными торцами, наполненными насыщенными парами йода при комнатной температуре; 3 - спек­троскоп типа СТ-7, включающий щель Щ, коллиматор К, диспергирую­щую призму П, разлагающую излучение б спектр, и окуляр 0 для наблюдения спектров.

Рис.3. Общий вид лабораторной установки

Вид передней панели спектроскопа и расположе­ние основных ручек регулировки показаны на рис. 4.

Рис.4. Вид передней панели спектроскопа

Маховичок I служит для фокусировки наблюдаемых спектральных линий. С помощью маховичка 2 производится перемещение спектра в поле зрения. На этот маховичок нанесена отсчетная шкала, позволяющая определять положение спектральных лиши. В поле зрения окуляра 3 видна рамка с вертикальным прямоугольным вырезом в центре (см. рис.5). Фокусировка изображения рамки производится вращением накатанного кольца, расположенного на оправе окуляра.

Спектральная линия подводится маховичком 2 к левому краю прямоугольного выреза; отсчет по шкале дает ее положение в спектре.

На передней панели спектроскопа расположен также тумблер для включения лампы осветителя.

Рис.5. Вид поля зрения окуляра

4. Порядок выполнения работы.

1. Включить осветитель. Так как лампа осветителя сильно нагревается и может выйти из строя, ее следует выключать на время любых перерывов в работе к сразу же после окончания измерений.

2.Вывести в поле зрения окуляра желто-зеленую часть спектра и произвести фокусировку - сначала рамки с вырезом, затем спект­ральных линий.

3.Вывести в поле зрения сине-фиолетовую часть спектра (заметьте, что в этой части спектра линии поглощения расположены гу­ще), Начиная с первых различимых линий в фиолетовой области, оп­ределить положения примерно двадцати спектрально лиши, передвигаясь в желто-зеленую область спектра. Результаты занести в таб­лицу. При измерениях обратить особое внимание на то, чтобы не допустить пропусков линий, так как это приведет к большим ошибкам в расчетах.

4.После окончания измерений выключить лампу осветителя.

5.Обработка результатов измерений.

1.Пользуясь приложенным к прибору градуировочным графиком, определить по результатам измерений и занести в таблицу длины волн поглощенных фотонов. Длины волн необходимо определять с четырьмя значащими цифрами. Используемая в спектроскопия единица длины нанометр (нм) составляет 10-9 м.

2.По найденным значениям длин волн рассчитать с пятью зна­чащими цифрами и занести в таблицу энергии поглощенных фотонов (в эВ):

,

3. Определять и занести в таблицу разности энергии квантов, соответствующих соседним линиям поглощения.

4. На миллиметровой бумаге построить график зависимости разности энергий от энергии квантов (см. рис. 2 и теорию работы). При построении графика пренебречь отдельными значительными выбросами экспериментальных точек. Эти выбросы связаны с пропуском
линий в процессе измерений. Построенную кривую плавно продолжить в область больших энергий до пересечения с осью абсцисс и в сторону малых энергий до насыщения.

Положение линий деления шкалы	Длины волн, нм	Энергии квантов, эВ	Разности энергий, эВ

5. По построенному графику, как описано в теории работы, рассчитать частоту колебаний молекул в возбужденном состоянии и энергию молекул .