Тема: дослідження закономірностей будови атомів та процесів випромінювання ними світла.

Методичні рекомендації

до підготовки і виконання лабораторних робіт

курсантами денної та студентами

заочної форм навчання

з дисципліни Фізика

Верещака М.П.

 

 

галузь знань	0701 Транспорт і транспортна інфраструктура 0507 Електротехніка та електромеханіка
напрям підготовки	6.070104 Морський та річковий транспорт 6.050702 Електромеханіка

 

Херсон 2013

 

Методичні рекомендації до підготовки і виконання лабораторних робіт курсантами денної та студентами заочної форм навчання з дисципліни фізика / Укладач: Верещака М.П. – Херсон.: ХДМА, 2013. – 100 c.

 

Рецензенти: Овдій В.М. кандидат фізико-математичних наук, доцент Херсонського державного Університету.

 

Методичні рекомендації розглянуто і ухвалено на засіданні кафедри природничо-наукової підготовки

(Протокол № __ від «___» вересня 2013р.)

 

Завідувач кафедри ______ Бабійчук А.М.

природничо-наукової підготовки

 

Схвалено навчально-методичним відділом академії

Начальник навчально-методичного ____ Черненко В.В.

відділу

 

Друкується за рішенням Вченої ради ХДМА

(Протокол № __ від «__» _______ 2013р.)

 

 

ЗМІСТ

ВСТУП
ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №1 ‑ Вивчення навчального обладнання лабораторії фізики та правил техніки безпеки при його використанні, а також правил підготовки, виконання, оформлення і захисту звітів лабораторних робіт
1. Теоретичні відомості
1.1 «Інструкція № 45 «З охорони праці для курсантів під час проведення лабораторних та практичних занять з фізики»»
1.2 Інструкція з пожежної безпеки
1.3 Методичні рекомендації до підготовки, виконання, оформлення та захисту звіту лабораторних робіт

 

 

 

ВСТУП

Методичні рекомендації складаються з рекомендацій до п’яти лабораторних робіт.

Рекомендації до кожної лабораторної роботи включають:

‑ тему, мету, перелік обладнання, міри безпеки;

‑ загальні теоретичні відомості з відповідного розділу фізики (основні

 

 

Лабораторна робота №16

Тема: Дослідження закономірностей будови атомів та процесів випромінювання ними світла.

Мета: 1. Формувати уміння проводити експериментальні дослідження.

2. Формувати реальне уявлення про будову атомів і квантовий характер їх параметрів та процесів в них.

Обладнання: Лабораторний стенд, установка для дослідження спектрів випромінювання атомів ФПК-09 (генератор-опромінювач з набором спектральних трубок: Ne, Kr, He, H; спектрометр СУ-1).

Міри безпеки:

1. До роботи з установкою ФПК-09 допускаються особи, ознайомлені з її будовою, принципом дії, мірами безпеки та отримавші допуск викладача до виконання лабораторної роботи.

2. Генератор-опромінювач повинен бути заземленим.

3. В генераторі є небезпечна для життя напруга, тому при експлуатації необхідно суворо дотримуватись відповідних мір безпеки:

‑ заміну спектральних трубок здійснювати обережно і тільки при вимкненому вимикачі «сеть» генератора згідно пункту 3.2.1.

‑ вмикати установку тільки на час проведення досліджень;

‑ режим роботи: час неперервної роботи 45хв, перерва 10-15 хв.

‑ не залишати ввімкнену установку без нагляду.

7. При виявленні неполадків, виконання лабораторної роботи припинити, пристрій вимкнути (вимкнути вимикач 1-SF1 на лабораторному стенді та вимикач «сеть» на генераторі) та повідомити викладача.

Теоретичні відомості

Експериментальні властивості атомів.

Спроба перетворення атомів

Тривалий час алхіміки, хіміки, фізики намагалися здійснити перетворення однієї речовини в іншу, тобто атоми однієї речовини перетворити в атоми іншої, але нікому це не вдавалося. Тільки в ХХ столітті нарешті вдалося це реалізувати. Виявилося, що атом, в переважній більшості, дуже стабільне утворення.

 

Дослідження структури атома

Будова атома за Н.Бором

Невідповідність передбачень класичної фізики і результатів експерименту однозначно показували, що в мікроструктурі атома закони класичної електродинаміки не справджуються і що для зясування внутрішнього механізму атома слід керуватися ідею квантово теорії випромінювання Планка. Саме такі висновки зробив Н.Бор в 1913р.

В основу своєї теорії Бор поклав три постулати:

Перший постулат Бора: (постулат стаціонарних станів): існують деякі стаціонарні стани атома з відповідними значеннями енергії , , …, , перебуваючи в яких, він не випромінює енергії.

Електрон, рухаючись по орбіті навколо ядра прискорено не випромінює енергії, що суперечить законам електродинаміки.

Другий постулат Бора (правило квантування орбіт): в стаціонарному стані атома електрон, рухаючись по коловій орбіті повинен мати квантові значення моменту імпульсу, які задовольняють умову

, ,

(2)

де ‑ маса електрона, ‑ його швидкість, ‑ радіус орбіти електрона.

Третій постулат Бора (правило частот): при переході атома з одного стаціонарного стану в інший випромінюється або поглинається один фотон з енергією , яка дорівнює різниці енергій відповідних стаціонарних станів.

Випромінювання фотона відбувається при переході атома зі стану з більшою енергією у стан з меншою енергією , тобто при переході електрона з орбіти більш віддаленої від ядра на ближчу орбіту. При поглинанні енергії електрон переходить на віддаленішу орбіту. Набір можливих частот квантових переходів і визначає лінійчастий спектр випромінювання атома.

Постулати Бора дозволили розрахувати спектр атома водню і воднеподібних систем, а також розрахувати сталу Рідберга.

 

Енергія електрона в атомі

Енергія електрона у воднеподібній системі рівна сумі його кінетичної і потенціальної енергій в електричному полі ядра.

,

Враховуючи, що

,

Отримуємо

,

Тоді .

Підставивши значення маємо:

,

(6)

Знак «‑» означає, що електрон знаходиться у зв’язаному стані.

Енергетичні стани атома утворюють послідовність енергетичних рівнів, що змінюються від значення , яке виражає номер енергетичного рівня атома.

При , атом водню має мінімальне енергію

, а при , .

Тобто енергія іонізації атома водню (енергія необхідна для відриву електрона з першої орбіти) , що співпадає з експериментальним значенням.

Обмеженість теорії Бора

Розрахунки розмірів атомів водню (5), їх енергії іонізації, спектрів випромінювання (7), (9), значень сталих Рідберга (8) і (10) дають результати дуже близькі до їх експериментальних значень, що вказує на повну дієздатність теорії Бора.

Наряду з цим теорія Бора має ряд недоліків та обмежень:

‑ має внутрішні протиріччя (з одного боку, застосовує закои клаичної фізики, з іншого – ґрунтується на квантових постулатах);

‑ не може розрахувати інтенсивність спектральних ліній атома водню;

‑ не може пояснити спектри складних атомів.

 

Квантова теорія атомів

В квантовій механіці опис стану мікрооб’єкта здійснюється має статистично, має ймовірнісний характер.

Ймовірність знаходження частинки в момент часу в об’ємі з координатами , , визначається квадратом модуля хвильової функції (квадрат модуля амплітуди хвилі де Бройля).

, (або в сферичних координатах )

Ймовірність знаходження частинки в об’ємі

,

Значення ‑ функції знаходиться з стаціонарного рівняння Шредінгера

(11)

де ‑ повна енергія електрона в атомі.

‑ оператор Лапласа в сферичних координатах .

Розв’язок рівняння Шредінгера (11), відносно енергії атома , має вигляд:

,	(12)
де ‑ стала Рідберга	(13)

Квантування енергії випливає з самого розвязку.

Порівняння формули (12), (13) з відповідними формулами (6), (8) теорії Бора показує, що вони повністю співпадають.

Але квантова теорія більш глибока.

Дійсно, розв’язок рівняння Шредінгера, приводить до квантування не тільки енергії, а і трьох координат , , , що визначається трьома квантовими числами: головним квантовим числом , орбітальним і магнітним . Так як електрон має власний механічний момент імпульсу (спін), який також кантується, то вводять і спінове квантове число .

Головне квантове число ‑ виражає енергетичні рівні електрона в атомі і може набувати значень

Орбітальне квантове число визначає величину модуля вектора моменту імпульсу електрона в атомі при заданому .

де .

Магнітне квантове число визначає проекцію моменту імпульсу електрона на заданий напрямок (визначає положення вектора моменту імпульсу електрона.

,

Спінове квантове число визначає положення спіну електрона в атомі і може приймати тільки два значення .

Узагальнюючи експериментальні і теоретичні дані Паулі сформулював принцип (принцип Паулі) який завжди реалізується в мікроскопічних системах. В системі однакових ферміонів довільні два з них не можуть одночасно знаходитися в одному і тому ж стані, тобто не можуть мати однаковими всі чотири квантові числа.

Ферміони – частинки з пів цілим спіном (електрон, протон, нейтрон).

Сукупність електронів, що мають однакові значення квантового числа , утворює оболонку. Оболонка поділяється на під оболонок, які відрізняються значеннями орбітального квантового числа . Число під оболонок дорівнює , оскільки орбітальне квантове число набуває значень від 0 до .

Кількість електронів в підоболонці визначається магнітним і спіновим квантовими числами: максимальне число електронів в підоболонці з даним дорівнює .

Таким чином максимальна кількість електронів в оболонці може бути:

,

(14)

Розподіл електронів в оболонках і підоболонках приведемо на мал.

Мал.1 – Розподіл електронів в оболонках атомів

 

Для запису, оболонки позначають великими літерами

№
позначення оболонки	K	L	M	N	O	P

а під оболонки малими літерами

№
позначення оболонки	s	p	d	f	q

Згідно квантової теорії атома, квантові числа і принцип Паулі визначають положення електронів в атомах, їх енергетичні рівні, а значить їх спектри випромінювання і поглинання, хімічні властивості та структуру періодичної таблиці атомів

Експеримент повністю підтверджує теоретичні передбачення квантової теорії атомів.

 

Будова установки ФПК-09

Установка складається з генератора-опромінювача і пристрою вимірювального, в якості якого використаний спектрометр СУ-1.

Генератор-опромінювач і спектрометр установлюються з допомогою стійок і рейтерів на оптичній лаві (Мал.2).

 

Мал.2 – Установка для дослідження спектрів атомів ФПК-09

 

Генератор-опромінювач конструктивно виконаний у вигляді збірного корпусу, в якому установлюється спектральна трубка з досліджуваним газом, джерело її живлення.

На бічній стороні генератора розміщене вихідне вікно для виходу випромінювання, захищене блендою.

На задній частині генератора розміщені: вимикач «сеть» з індикатором ввімкнення електромережі та клема заземлення.

Спектральна трубка установлюється в спеціальні два отвори, розміщені на верхній стінці корпусу. Один отвір служить для установки власне спектральної трубки, другий – для установки блокуючого штиря, який вмикає кінцевий вимикач, блокуючий подачу напруги електромережі на генератор при відсутності спектральної трубки.

Всередині корпусу генератора знаходяться спеціальні пружні контактти, які забезпечують контакт з зовнішніми електродами на балонах спектральної трубки.

Генератор-опромінювач підключається до зовнішньої електромережі 220В з допомогою електрошнура і вилки.

Спектрометр СУ-1 складається з коліматора, дисперсуючого елементу (дифракційної гратки і зорової труби). Оптична схема спектрометра приведена на мал. 3.

 

 

Мал.3 – Оптична схема спектрометра СУ-1

 

1 – вхідна щілина; 2 – об’єктив коліматора; 3 – об’єктив і 5 – окуляр зорової труби; 4 – вихідна змінна щілина, призначена для більш точного визначення довжини хвилі; 6 – дифракційна гратка.

В фокальній площині об’єктива 2 коліматора установлена змінна вхідна щілина 1 постійної ширини.

В якості дисперсуючого елементу в спектрометрі використана дифракційна гратка 6, яка може повертатися навколо вертикальної осі з допомогою мікрометричного гвинта та пружини. Дифракційна гратка має 1200 штрихів на міліметр.

Зорова труба складається з об’єктива 3 і окуляра 5. В фокальній площині об’єктива труби розміщена вихідна змінна щілина 4, призначена для точного визначення довжини хвилі.

 

Виконання досліджень

Огляд обладнання

Візуально переконатися, що: всі комплектуючі є в наявності; механічних пошкоджень немає; спектральна трубка вставлена в генератор-опромінювач; вимикач «сеть» генератора знаходиться у вимкненому положенні; генератор заземлений.

 

Завдання

1. Дослідити спектри випромінювання атомів неону (Ne), криптону (Kr), гелію (Не), водню (Н).

2. Дослідити закономірності випромінювання атомів водню та дієвість формули Бальмера.

3. Дослідити закономірності значень енергії електронів в атомі водню та дієвість першого і другого постулатів Бора.

4. Дослідити взаємозв’язок між зміною енергії електронів в атомі водню і енергію випромінюваних ним фотонів та дієвість третього постулату Бора.

 

Література

1. Воловик П.М. Фізика: Підручник для університетів. – К.: Ірпінь: Перун, 2005. – 864с. – с.703-736.

2. Кучерук І.М. і ін. Загальний курс фізики: Т.3: Механіка. Молекулярна фізика і термодинаміка. – К.: Техніка, 1999. – 536 с. – с.135 – 145, 262 – 302.

3. Зачек І.Р. і ін. Курс фізики. – Львів: Бескид Біт, 2002. – 376с. – с.261-291.

 

Методичні рекомендації

до підготовки і виконання лабораторних робіт

курсантами денної та студентами

заочної форм навчання

з дисципліни Фізика

Верещака М.П.

 

 

галузь знань	0701 Транспорт і транспортна інфраструктура 0507 Електротехніка та електромеханіка
напрям підготовки	6.070104 Морський та річковий транспорт 6.050702 Електромеханіка

 

Херсон 2013

 

Методичні рекомендації до підготовки і виконання лабораторних робіт курсантами денної та студентами заочної форм навчання з дисципліни фізика / Укладач: Верещака М.П. – Херсон.: ХДМА, 2013. – 100 c.

 

Рецензенти: Овдій В.М. кандидат фізико-математичних наук, доцент Херсонського державного Університету.

 

Методичні рекомендації розглянуто і ухвалено на засіданні кафедри природничо-наукової підготовки

(Протокол № __ від «___» вересня 2013р.)

 

Завідувач кафедри ______ Бабійчук А.М.

природничо-наукової підготовки

 

Схвалено навчально-методичним відділом академії

Начальник навчально-методичного ____ Черненко В.В.

відділу

 

Друкується за рішенням Вченої ради ХДМА

(Протокол № __ від «__» _______ 2013р.)

 

 

ЗМІСТ

ВСТУП
ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №1 ‑ Вивчення навчального обладнання лабораторії фізики та правил техніки безпеки при його використанні, а також правил підготовки, виконання, оформлення і захисту звітів лабораторних робіт
1. Теоретичні відомості
1.1 «Інструкція № 45 «З охорони праці для курсантів під час проведення лабораторних та практичних занять з фізики»»
1.2 Інструкція з пожежної безпеки
1.3 Методичні рекомендації до підготовки, виконання, оформлення та захисту звіту лабораторних робіт

 

 

 

ВСТУП

Методичні рекомендації складаються з рекомендацій до п’яти лабораторних робіт.

Рекомендації до кожної лабораторної роботи включають:

‑ тему, мету, перелік обладнання, міри безпеки;

‑ загальні теоретичні відомості з відповідного розділу фізики (основні

 

 

Лабораторна робота №16

Тема: Дослідження закономірностей будови атомів та процесів випромінювання ними світла.

Мета: 1. Формувати уміння проводити експериментальні дослідження.

2. Формувати реальне уявлення про будову атомів і квантовий характер їх параметрів та процесів в них.

Обладнання: Лабораторний стенд, установка для дослідження спектрів випромінювання атомів ФПК-09 (генератор-опромінювач з набором спектральних трубок: Ne, Kr, He, H; спектрометр СУ-1).

Міри безпеки:

1. До роботи з установкою ФПК-09 допускаються особи, ознайомлені з її будовою, принципом дії, мірами безпеки та отримавші допуск викладача до виконання лабораторної роботи.

2. Генератор-опромінювач повинен бути заземленим.

3. В генераторі є небезпечна для життя напруга, тому при експлуатації необхідно суворо дотримуватись відповідних мір безпеки:

‑ заміну спектральних трубок здійснювати обережно і тільки при вимкненому вимикачі «сеть» генератора згідно пункту 3.2.1.

‑ вмикати установку тільки на час проведення досліджень;

‑ режим роботи: час неперервної роботи 45хв, перерва 10-15 хв.

‑ не залишати ввімкнену установку без нагляду.

7. При виявленні неполадків, виконання лабораторної роботи припинити, пристрій вимкнути (вимкнути вимикач 1-SF1 на лабораторному стенді та вимикач «сеть» на генераторі) та повідомити викладача.

Теоретичні відомості