ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИННОВОЛНОВОЙ ГРАНИЦЫ СПЕКТРА ПОГЛОЩЕНИЯ И ВЫЧИСЛЕНИЕ ПОСТОЯННОЙ ПЛАНКА         Методические указания   к лабораторной работе   №74 Описание установки Свет представляет собой электромагнитные волны малой длины. Свет разных длин волн – разного цвета – преломляется неодинаково на границе двух прозрачных веществ. Различная преломляемость лучей разной длины волны позволяет разложить сложный свет на его монохроматические составляющие (получить спектр) и таким путем исследовать его. Различают спектры сплошные и линейчатые. Сплошные спектры с непрерывным переходом одних цветов в другие дают, например, раскаленные твердые тела и жидкости, что означает наличие в свете колебаний всевозможных длин волн. Некоторые источники света (пламя, окрашенное солями металлов, газы, светящиеся при электрическом разряде, и т.д.) дают линейчатый спектр. Он состоит из отдельных светлых полос, («линий») на темном фоне. Возникновение и положение линий в спектрах может быть объяснено на основе квантовых представлений. Наличие дискретных линий указывает на то, что свет от таких источников состоит лишь из колебаний, соответствующих определенным длинам волн. Если на пути сложного света (например, белого) поместить какое-либо прозрачное тело, а затем разложить прошедший свет в спектр, то можно увидеть на фоне спектра исходного света темные линии, соответствующие поглощенным участкам. Такие спектры называют спектрами поглощения. Поглощение спектра в веществе связано с преобразованием энергии электромагнитного поля световой волны в другие виды энергии. В результате поглощения света могут протекать некоторые химические реакции, которые носят название фотохимических. Фотохимические процессы подчиняются следующему количественному закону: масса фотохимически прореагировавшего вещества пропорциональна количеству поглощенной световой энергии. Изучение фотохимических процессов показало, что они протекают в соответствии с фотонной природой света: каждому поглощенному фотону    соответствует химическое превращение одной молекулы Так как на превращение одной молекулы требуется некоторая минимальная работа  , то энергия фотона    должна удовлетворять условию (74.1) откуда вытекает существование границы фотохимического процесса  1; если частота света (74.2) то фотохимическая реакция не протекает. Для каждой данной фотохимической реакции    имеет свое значение. Учитывая связь частоты, длины волны  l  и скорости света эту границу можно указать не только частотой  , но и соответствующей длиной волны  , называемой длинноволновой границей фотохимического процесса (длинноволновая, так как с увеличением длины волны    энергия фотона уменьшается и не вызывает фотореакции). Исследуя спектр поглощения вещества, в котором протекает фотохимическая реакция, можно в некоторых случаях определить длинноволновую границу фотоэффекта. В данной работе изучается спектр поглощения водным раствором двухромовокислого калия    белого света, испускаемого раскаленной нитью электрической лампочки. Двухромовокислый калий под действием молекул воды диссоциирует на катионы калия и анион кислотного остатка: Анионы    распадаются под действием света на анионы    и  . Это объясняется тем, что анионы    хорошо поглощают  световые фотоны, особенно фотоны синих и фиолетовых лучей, и вследствие этого распадаются на более простые анионы. Происходящая при этом реакция может быть записана так: (74.3) Реакция происходит, если , или (74.4) Если    равна максимальной длине световой волны  , которая еще поглотится раствором, то (74.5) где    –  скорость света в вакууме. Известно, что минимальная энергия, необходимая для осуществления данной фотохимической реакции (74.3) . Зная работу    и определив опытным путем длинноволновую границу  , можно из формулы (74.5) получить экспериментальное значение постоянной Планка  . Длинноволновую границу    спектра поглощения определяют с помощью спектрометра. На пути света, испускаемого раскаленной нитью электрической лампочки и дающего сплошной спектр, помещается кювета с водным раствором  . При этом часть сплошного радужного спектра станет темной, так как будут поглощены фотоны, энергия которых (они и будут вызывать фотохимическую реакцию). Рассматривая спектр, определяют, на какое деление приходится границы поглощения, а затем по градуировочной кривой находят  , соответствующее этому  . В данной работе используется стеклянно-призменный монохроматор УМ–2. Внешний вид монохроматора представлен на рис.74.1. Прибор устроен следующим образом.

	1. Входная щель 1 снабжена микрометрическим винтом 9, который позволяет открывать ее на нужную ширину. Обычная рабочая ширина щели установлена заранее и трогать микровинт 9 не рекомендуется!
Рис.74.1

2. Внутри корпуса прибора П, предохраняющего прибор от повреждений, находятся коллиматорный объектив 2 и сложная спектральная призма 3, состоящая из трех склеенных призм Р₁, Р₂ и Р₃.

Призма разлагает свет в спектр (явление дисперсии). Призма 3 расположена на поворотном столике 6, который вращается вокруг вертикальной оси при помощи микрометрического винта с отсчетным барабаном 7. На барабан нанесена винтовая дорожка с градусными делениями. Вдоль дорожки скользит указатель поворота барабана, по которому снимают отсчет делений шкалы  . При вращении барабана призма поворачивается, и в центре поля зрения появляются различные участки спектра. Поворот барабана на 1 деление  (2^о)  поворачивает систему призм на 20”.

3. Зрительная труба состоит из объектива 4 и окуляра 5. Объектив 4, находящийся тоже внутри корпуса прибора, дает изображение входной щели 1 в своей фокальной плоскости. В этой же плоскости расположен указатель – визир 10 в виде освещенного треугольника.

Изображение рассматривается в окуляр 5, который может устанавливаться по глазу наблюдателя на резкость вращением.

4. Монохроматор укреплен на оптической скамье (рельсе), на которой также размещены источник света Л, конденсор К, служащий для концентрации света на входной щели 1.
5. Освещение визира 10 и включение источника исследуемого света, осуществляется тумблером «ВКЛ» выпрямителя ЭПС-III. Под окуляром 5 зрительной трубы расположен диск, поворотом которого можно менять цвет освещения визира – треугольника 10.

С помощью этого прибора изучаются спектры.  

Порядок выполнения работы

В данной работе требуется экспериментально определить длинноволновую границу    спектра поглощения водного раствора    белого света, рассчитать экспериментальное значение постоянной Планка    и сравнить его с табличным значением  . Для этого необходимо: 1) ознакомиться с установкой; 2) провести градуировку спектроскопа. Градуировка производится следующим образом. Перед щелью помещают трубку неона, длины волн которого известны (табл.74.1). Наблюдая в окуляр 5, поворотом барабана 7 совмещают визир – светящийся треугольник 10 с той или иной линией спектра. Записывают  показания шкалы барабана  . Данные заносят в табл.74.1. По данным таблицы строят на миллиметровой бумаге график зависимости угла поворота    от длины волны  ; это градуировочная кривая; При построении градуировочной кривой масштабы выбирать не с 0, а по полученным  значениям  и .   Таблица 74.1 Неон

№ п/п	Цвет линии	l, нм	Деления шкалы j
1	Ярко-красная	640,2
2	Красно-оранжевая (левая из двух близких)	614,3
3	Оранжевая (первая заметная влево от желтой)	594,5
4	Желтая	585,2
5	Светло-зеленая (первая заметная вправо от желтой)	576,0
6	Зеленая (левая из двух одинаковых)	540,0
7	Зеленая (правая из двух одинаковых)	533,0
8	Зеленая (правая из пяти равноудаленных линий)	503,1
9	Сине-зеленая (одинокая)	484,9

  3) включить источник света (электрическую лампочку) и рассмотреть полученный сплошной спектр от красного до фиолетового цвета. Установить в поле зрения спектроскопа среднюю часть спектра; 4) поместить между лампочкой и коллиматором спектроскопа кювету с раствором  , рассмотреть спектр поглощения; 5) определить, на какое деление шкалы барабана    приходится длинноволновая граница спектра поглощения (где заканчивается зеленый свет и начинается темнота). Измерение    произвести пять раз; 6) по градуировочной кривой данного спектроскопа определить значения длинноволновой границы спектра поглощения  , соответствующие этим  . Данные измерений занести в табл.74.2.     Таблица 74.2

№ п/п
1
2
3
4
5

7) Рассчитать абсолютную случайную погрешность по формуле Стьюдента при вероятности : . 8)  Рассчитать относительную погрешность по формуле: . 9) Окончательный результат для длинноволновой границы спектра поглощения записать в виде нм;  …%, округлив по правилам округления. 10)  Из выражения (74.5) вычислить экспериментальное значение постоянной Планка   по среднему значению  длинноволновой границы спектра поглощения . 11)  Рассчитать абсолютную погрешность для  постоянной Планка, исходя  из того, что  относительные погрешности определения длинноволновой границы  и постоянной Планка одинаковы, так как в формуле 74.5 A и с постоянные величины. Поэтому: 12)  Записать окончательный результат экспериментального значения постоянной Планка в виде Дж,  . 13) Сделать вывод к работе.   Рекомендации к выводу В выводе следует указать:

1. Какие величины были определены в данной лабораторной работе.
2. Какие свойства света использовались в данной работе для определения этой величины.
3. Какие виды спектров и от каких источников света наблюдались в данной работе.
4. В каком интервале и с какой вероятностью и точностью находятся расчетные значения данных величин.
5. Сравнить полученное экспериментальное значение постоянной Планка   с табличным значением.  На основании этого сделать заключение о правильности выполнения лабораторной работы.

  Рекомендуемая литература

1. Трофимова Т.И. Курс физики: Учебное пособие для вузов. 7-е изд., стер. – М.: Высш. шк., 2002. – 542 с.
2. Савельев И.В. Курс общей физики. М.: Наука, 1982. Т.III.
3. Яворский Б.М., Детлаф А.А., Милковский Л.Б. Курс физики. М.: Высшая школа, 1975–1977. ч.iii.

3.Руководство к лабораторным занятиям по физике. / Под ред. Л.Л.Гольдина. М.: Наука, 1983. 4.Лебедева В.В. Экспериментальная оптика: Оптические материалы. Источники, приемники, фильтрация оптического излучения: Учебник для вузов. – М.: Изд. Моск. ун-та, 1994. – 364 с.