Экспериментальное определение постоянной ридберга. Ридберга постоянная Определение постоянной ридберга

Цель работы : получение численного значения постоянной Ридберга для атомного водорода из экспериментальных данных и его сравнение с рассчитанной теоретически.
Основные закономерности в изучении атома водорода.
Спектральные линии атома водорода в своей последовательности обнаруживают простые закономерности.

В 1885 г. Бальмер показал на примере спектра испускания атомного водорода (рис. 1), что длины волн четырёх линий, лежащих в видимой части и обозначаемых символами Н  ,Н  , Н  , Н  , можно точно представить эмпирической формулой

где вместо n следует подставить числа 3, 4, 5, и 6; В – эмпирическая константа 364,61 нм .

Подставив в формулу Бальмера целые числа n = 7, 8, …, можно получить также и длины волн линий в ультрафиолетовой области спектра.

Закономерность, выраженная формулой Бальмера, становится особенно наглядной, если представить эту формулу в том виде, в каком ею пользуются в настоящее время. Для этого следует преобразовать ее так, чтобы она позволяла вычислять не длиныволн, а частоты или волновые числа.

Известно, что частота , с -1 - число колебаний в 1 сек., где с – скорость света в вакууме; - длина волны в вакууме.

Волновое число – это число длин волн, укладывающихся в 1 м:

, м -1 .

В спектроскопии чаще пользуются волновыми числами, так как длины волн в настоящее время определяются с большой точностью, следовательно, с той же точностью известны и волновые числа, тогда как скорость света, а значит и частота, определены со значительно меньшей точностью.

Из формулы (1) можно получить

(2)

обозначив через R , перепишем формулу (2):

где n = 3, 4, 5, … .

Рис. 2
Рис. 1
Уравнение (3) представляет собой формулу Бальмера в обычном виде. Выражение (3) показывает, что по мере увеличения n разность между волновыми числами соседних линий уменьшается и при n мы получаем постоянное значение . Таким образом, линии должны постепенно сближаться, стремясь к предельному положению . На рис. 1 теоретическое положение предела этой совокупности спектральных линий обозначено символом Н  , а сближение линий при движении к нему явно имеет место. Наблюдение показывает, что с увеличением числа линии n закономерно уменьшается ее интенсивность. Так, если схематически представить расположение спектральных линий, описываемых формулой (3), вдоль оси абсцисс и условно изобразить длиной линий их интенсивность, то получится картина, показанная на рис. 2. Совокупность спектральных линий, обнаруживающих в своей последовательности и в распределении интенсивности закономерность, схематически представленную на рис. 2, называется спектральной серией.

Предельное волновое число, около которого сгущаются линии при n , называется границей серии. Для серии Бальмера это волновое число  2742000 м -1 , и ему соответствует значение длины волны  0 = 364,61 нм .

Наряду с серией Бальмера в спектре атомного водорода был обнаружен ряд других серий. Все эти серии могут быть представлены общей формулой

где n 1 имеет для каждой серии постоянное значение n 1 = 1, 2, 3, 4, 5,…; для серии Бальмера n 1 = 2; n 2 – ряд целых чисел от (n 1 + 1) до .

Формула (4) называется обобщенной формулой Бальмера. Она выражает собой один из главных законов физики – закон, которому подчиняется процесс изучения атома.

Теория атома водорода и водородоподобных ионов создана Нильсом Бором. В основе теории лежат постулаты Бора, которым подчиняются любые атомные системы.

Согласно первому квантовому закону (первому постулату Бора), атомная система является устойчивой лишь в определенных – стационарных – состояниях, соответствующих некоторой дискретной последовательности значений энергии Е i системы, любое изменение этой энергии связано со скачкообразным переходом системы из одного стационарного состояния в другое. В соответствии с законом сохранения энергии переходы атомной системы из одного состояния в другое связаны с получением или отдачей энергии системой. Это могут быть либо переходы с излучением (оптические переходы), когда атомная система испускает или поглощает электромагнитное излучение, либо переходы без излучения (безызлучательные, или неоптические), когда происходит непосредственный обмен энергией между рассматриваемой атомной системой и окружающими системами, с которыми она взаимодействует.

Второй квантовый закон относится к переходам с излучением. Согласно этому закону электромагнитное излучение, связанное с переходом атомной системы из стационарного состояния с энергией Е j в стационарное состояние с энергией Е l  Е j , является монохроматическим, и его частота определяется соотношением

Е j - Е l = hv , (5)

где h – постоянная Планка.

Стационарные состояния Е i в спектроскопии характеризуют уровни энергии, а об излучении говорят как о переходах между этими уровнями энергии. Каждому возможному переходу между дискретными уровнями энергии соответствует определенная спектральная линия, характеризуемая в спектре значением частоты (или волнового числа) монохроматического излучения.

Дискретные уровни энергии атома водорода определяются известной формулой Бора

(6)

(СГС) или (СИ), (7)

где n – главное квантовое число; m – масса электрона (точнее, приведенная масса протона и электрона).

Для волновых чисел спектральных линий согласно условию частот (5) получается общая формула

(8)

где n 1  n 2 , а R определяется формулой (7). При переходе между определенным нижним уровнем (n 1 фиксировано) и последовательными верхними уровнями (n 2 изменяется от (n 1 +1 ) до ) получаются спектральные линии атома водорода. В спектре водорода известны следующие серии: серия Лаймана (n 1 = 1, n 2  2); серия Бальмера (n 1 = 2; n 2  3); серия Пашена (n 1 = 3, n 2  4); серия Брекета (n 1 = 4, n 2  5); серия Пфунта (n 1 = 5, n 2  6); серия Хамфри (n 1 = 6, n 2  7).

Схема уровней энергии атома водорода приведена на рис. 3.

Рис. 3

Как видим, формула (8) совпадает с формулой (4), полученной эмпирически, если R – постоянная Ридберга, связанная с универсальными константами формулой (7).
Описание работы.

Нам известно, что серия Бальмера дается уравнением

Из уравнения (9), отложив по вертикальной оси значения волновых чисел линий серии Бальмера, а по горизонтальной – соответственно значения , получаем прямую, угловой коэффициент (тангенс угла наклона) которой дает постоянную R , а точка пересечения прямой с осью ординат дает значение (рис. 4).

Для определения постоянной Ридберга нужно знать квантовые числа линий серии Бальмера атомного водорода. Длины волн (волновые числа) линий водорода определяются с помощью монохроматора (спектрометра).

Рис. 4

Градуировочная кривая монохроматора для спектра ртути:

Для ртути:

Rydbergo konstanta statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Apibrėžtį žr. priede. priedas(ai) Grafinis formatas atitikmenys: angl. Rydberg constant vok. Rydberg Konstante, f rus. константа Ридберга, f; постоянная Ридберга, f… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

постоянная Ридберга - Rydbergo konstanta statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. Rydberg constant vok. Rydberg Konstante, f; Rydbergsche Konstante, f rus. постоянная Ридберга, f pranc. constante de Rydberg, f … Fizikos terminų žodynas

Ридберга постоянная - Постоянная Ридберга величина, введённая Ридбергом, входящая в уравнение для уровней энергии и спектральных линий. Постоянная Ридберга обозначается как R. Эта постоянная была введена Йоханнесом Робертом Ридбергом в 1890 при изучении спектров… … Википедия

Постоянная тонкой структуры - Постоянная тонкой структуры, обычно обозначаемая как, является фундаментальной физической постоянной, характеризующей силу электромагнитного взаимодействия. Она была введена в 1916 году немецким физиком Арнольдом Зоммерфельдом в качестве меры… … Википедия

Постоянная Стефана - Не следует путать с постоянной Больцмана. Постоянная Стефана Больцмана (также постоянная Стефана), физическая постоянная, являющаяся постоянной пропорциональности в законе Стефана Больцмана: полная энергия, излучаемая единицей площади … Википедия

РИДБЕРГА ПОСТОЯННАЯ - (R), фундаментальная физическая константа, входящая в выражения для уровней энергии и частот излучения атомов (см. СПЕКТРАЛЬНЫЕ СЕРИИ); введена швед. физиком Й. Р. Ридбергом (1890). Если принять, что масса ядра атома бесконечно велика по… … Физическая энциклопедия

РИДБЕРГА ПОСТОЯННАЯ - (обозначается R) физическая постоянная, входящая в формулы для уровней энергии и спектральных серий атомов: , где, М масса ядра, m и е масса и заряд электрона, с скорость света, h постоянная Планка … Большой Энциклопедический словарь

Ридберга постоянная - (обозначается R), физическая постоянная, входящая в формулы для уровней энергии и спектральных серий атомов: R = R∞/(1 + m/М), где R∞ = 2π2me4/ch3≈1,097373·107 м 1, М масса ядра, т и e масса и заряд электрона, с скорость света, h постоянная… … Энциклопедический словарь

РИДБЕРГА ПОСТОЯННАЯ - (обозначается К), физ. постоянная, входящая в ф лы для уровней энергии и спектральных серий атомов: R = Roo/(1 + т/M), где Roo, = 2ПИ2me4/ch3 1,097373*107 м 1, М масса ядра, т и е масса и заряд электрона, с скорость света, h постоянная Планка.… … Естествознание. Энциклопедический словарь

Ридберга постоянная - (R физическая постоянная (См. Физические постоянные), введённая И. Ридбергом в 1890 при изучении спектров атомов. Р. п. входит в выражения для уровней энергии (См. Уровни энергии) и частот излучения атомов (см. Спектральные серии). Если… … Большая советская энциклопедия

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОСТОЯННОЙ РИДБЕРГА

ПО СПЕКТРУ АТОМАРНОГО ВОДОРО­ДА

Цель работы: ознакомление с закономерностями в спектре водорода , определение длин волн спектральных линий серии Бальмера, расчет постоянной Ридберга.

В работе используются: монохроматор, генератор "Спектр", выпрямитель, спектральные трубки, соединительные провода.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Спектры излучения изолированных атомов, например, атомов разреженного одно­атомного газа или паров металла, состоят из отдельных спектральных линий и носят на­звание линейчатых. Относительная простота линейчатых спектров объясняется тем, что электроны, входящие в состав таких атомов, находятся под действием только внутриатом­ных сил и практически не испытывают возмущающего действия со стороны окружающих удаленных атомов.

Изучение линейчатых спектров показывает, что в расположении линий, образую­щих спектр, наблюдаются определённые закономерности: линии располагаются не беспо­рядочно, а группируются сериями. Впервые это было обнаружено Бальмером (1885 г.) для атома водорода. Сериальные закономерности в атомных спектрах присущи не только атому водорода, но и другим атомам и свидетельствуют о проявлении квантовых свойств излучающих атомных систем. Для атома водорода эти закономерности могут быть выражены с помощью соотношения (обобщенная формула Бальмера)

где λ - длина волны; R - постоянная Ридберга, значение которой, найденное из эксперимента, равно DIV_ADBLOCK22">

Спектральные закономерности атома водорода объясняются согласно теорией Бора, которая строится на двух постулатах:

а)Из бесконечного множества электронных орбит, возможных с точки зрения клас­сической механики, осуществляются в действительности только некоторые дискретные орбиты, удовлетворяющие определенным квантовым условиям.

б)Электрон, находящийся на одной из этих орбит, несмотря на то, что он движется с ускорением, не излучает элек­тромагнитных волн.

Излучение испускается или поглощается в виде светового кванта энергии https://pandia.ru/text/78/229/images/image004_146.gif" width="85" height="24">.

Для построения боровской теории водородного атома необходимо также привлечь постулат Планка о дискретности состояний гармонического осциллятора, энергия которо­го равна https://pandia.ru/text/78/229/images/image006_108.gif" width="53" height="19 src=">.

Рис. 1. Схема образования спектральных серий атомарного водорода.

Как отмечалось ранее, постулаты Бора несовместимы с классической физикой. И тот факт, что вытекающие из них результаты хорошо согласуются с опытом, например, для атома водорода, свидетельствует о том, что законы классической физики ограничены в своем применении к микрообъектам и требуют пересмотра. Правильное описание свой­ства микрочастиц дает квантовая механика.

В соответствии с формализмом квантовой механики поведение любой микрочасти­цы описывается волновой функцией https://pandia.ru/text/78/229/images/image009_87.gif" width="29" height="29"> даёт значение плотности вероятности нахождения микрочастицы в единичном объеме около точки с координатами в момент времени t . В этом заключается её фи­зический смысл. Зная плотность вероятности, можно найти вероятность P нахождения частицы в конечном объёме https://pandia.ru/text/78/229/images/image012_61.gif" width="95" height="41 src=">. Для волновой функции выполняется условие нормировки: . Если состояние частицы стационарно, то есть не зависит от времени (именно такие состояния мы и будем рассматривать), то в волновой функции можно выделить два независимых множителя: .

Для нахождения волновой функции служит так называемое уравнение Шрёдингера, которое для случая стационарных состояний имеет следующий вид:

где E - полная, U - потенциальная энергия частицы, - оператор Лапласа. Волновая функция должна быть однозначной, непрерывной и конечной, а также иметь непрерывную и конечную производную. Решая уравнение Шредингера для электрона в атоме водорода, можно получить выражение для уровней энергии электрона

где n = 1, 2, 3, и т. д.

Постоянную Ридберга можно найти с помощью формулы (1), определив экспериментальным путем длины волн в какой-либо серии. Наиболее удобно это сделать для видимой области спектра, например для серии Бальмера , где i = 3, 4, 5, и т. д. В настоящей работе определяются длины волн первых четырех наиболее ярких спектральных линий этой серии.

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ

1. В генератор спектр, показанный на рис. 2, поставить неоновую спектральную трубку.

2. Проделать то же с гелиевой и водородной трубками.

3. Для каждой длины волны по формуле (1) вычислить постоянную Ридберга и найти ее значение.

4. Вычислить среднее значение массы электрона по формуле .

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. При каких условиях возникают линейчатые спектры?

2. Какова модель атома по теории Резерфорда-Бора? Сформулируйте постулаты Бора.

3. Выведите на основе теории Бора формулу для энергии электрона на n -ой орбите.

4. Объясните смысл отрицательного значения энергии электрона в атоме.

5. Выведите формулу для константы Ридберга на основе теория Бора.

6. Каковы трудности теории Бора?

7. Что такое волновая функция и каков ее статистический смысл?

8. Напишите уравнение Шредингера для электрона в атоме водорода. От каких кванто­вых чисел зависит решение этого уравнения? Каков их смысл?

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. , "Курс общей физики", т.3, М., "Наука", 1979, с.528.

Данная константа изначально появилась как эмпирический подгоночный параметр в формуле Ридберга , описывающей спектральные серии водорода . Позже Нильс Бор показал, что её значение можно вычислить из более фундаментальных постоянных , объяснив их связь с помощью своей модели атома (модель Бора). Постоянная Ридберга является предельным значением наивысшего волнового числа любого фотона, который может быть испущен атомом водорода; с другой стороны, это волновое число фотона с наименьшей энергией, способного ионизировать атом водорода в его основном состоянии.

Также используется тесно связанная с постоянной Ридберга единица измерения энергии , называемая просто Ридберг и обозначаемая R y {\displaystyle \mathrm {Ry} } . Она соответствует энергии фотона, волновое число которого равно постоянной Ридберга, то есть энергии ионизации атома водорода.

По состоянию на 2012 год, постоянная Ридберга и g-фактор электрона являются наиболее точно измеренными фундаментальными физическими постоянными.

Численное значение

Для лёгких атомов постоянная Ридберга имеет следующие значения:

Свойства

Постоянная Ридберга входит в общий закон для спектральных частот следующим образом:

где ν {\displaystyle \nu } - волновое число (по определению, это обратная длина волны или число длин волн, укладывающихся на 1 см), Z - порядковый номер атома.

Соответственно, выполняется

Обычно, когда говорят о постоянной Ридберга, имеют в виду постоянную, вычисленную при неподвижном ядре. При учёте движения ядра масса электрона заменяется приведённой массой электрона и ядра и тогда